1、 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
2、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
3、 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
4、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
5、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, improv
6、ed 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 v
7、ertical 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
8、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 .
9、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
10、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
11、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
12、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
13、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
14、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
15、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
16、。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
17、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
18、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 . Roy21 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
19、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
20、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
21、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
22、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
23、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
24、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,CH4 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
25、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
26、 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
27、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
28、，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 90020 轮胎 (16 层级 )就不能和 90020 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。
