孙启栋1，仪垂杰2，张浩2，赵韩非1，刘松1
1.青岛理工大学 青岛黄岛 266520 2.青岛大学 青岛黄岛 266071
摘要：随着废旧轮胎处理现状和裂解技术的发展，以及橡胶自身的稳定性，可以提高废旧轮胎裂解效率，起到节能降耗的效果，在本文中采用电热丝加热的方式作为废旧轮胎裂解热源，设计出一套流化床裂解废旧轮胎颗粒实验设备，对设备进行裂解实验，并记录相关的实验数据，将实验结果与设计结构进行比较，为裂解设备工艺参数和结构优化提供理论依据。
关键词：废旧轮胎；裂解硫化；控制技术
前言：废旧轮胎回收再利用问题一直是工业领域关注的热点问题，根据2015年-2019年我国废旧轮胎生产量与回收量数据现实，产量保持在年均1100万吨，回收量约为505万吨，由此可以知道全年近一半的轮胎并没有有效回收，这些未回收利用的废旧轮胎会造成严重的环境污染，目前我国处理废旧轮胎传统方式是堆放、填满和燃烧等，这种方式会易滋生蚊虫，影响到区域内土地破坏，加重环境恶化，为此废旧轮胎绿色高效回收方式是全球重点研究方向。当前废旧橡胶轮胎回收再利用呈现出价格优势，从21世纪初期橡胶5000元/吨到目前20000万元/吨，橡胶生胶价格远高于废旧橡胶回收价格；其次目前市场资源匮乏，废旧橡胶回收再利用可以缓解橡胶资源短缺的态势，甚至部分回收的橡胶品质可以替代天然橡胶，因而市场需求量较大；近些年我国橡胶消耗量位居世界首位，并以10%的增速增长；同时我国政府高度重视废旧橡胶回收再利用，鼓励行业化害为利，减少工业垃圾污染。
一、废旧轮胎回收应用现状
目前废旧轮胎回收在利用方式有多种，综合可归纳为五种，其分别为轮胎翻新、原型利用、高温裂解、热能利用以及再生胶等，在本文种主要是对轮胎颗粒裂解硫化床进行设计。
（1）轮胎翻新
轮胎翻新对于目前已经磨损或其他原因造成无法使用的废旧轮胎，通过肩、顶或全翻工艺方式来对胎面进行硫化，短期内仍满足后续使用要求，虽然翻新过后的废旧轮胎可以延长轮胎的使用寿命，但是需要考虑翻新辞书，并且翻新效果会随着翻新次数的增加而逐渐减小，最终还需要面临着废旧轮胎回收问题，当前采用轮胎翻新方法进行轮胎回收利用的比例在5%。
（2）原型利用
废旧轮胎原型利用方式是对废旧橡胶进行捆绑或裁剪等，后续可以再进行利用，如护舷、路标等，同时再地下管网以及灌溉系统等也会使用到废旧轮胎，目前采用原型改制的方式尽可能做到物尽其用，减少能源消耗，目前采用原型利用方式进行废旧轮胎回收可实现数量非常有限，目前常被作为辅助方式。
（3）高温裂解
废旧轮胎采用高温裂解的方式是指特定温度无氧环境下，废旧橡胶会通过有机成分裂解产生固、液和气等产物，裂解液会通过分馏的方式实现再利用，固体部分再处理后可用作填料，俗称热解炭黑。
（4）再生胶及粉胶
再生胶是由硫化胶通过某种特定手段，如化学、生物和物理等，破坏其种的S-S键获取，所制备完再生胶及粉胶占用轮胎回收利用率的45%，也是目前废旧轮胎回收利用的重要方式之一。胶粉通过特定手段将其粉碎后获取具有弹性的粉末装置，目前粉胶类型可分为三种，分别为粗粉胶＞细粉胶＞细粉胶，按照原材料不同，又可以细分为胎面胶、斜交胎和子午胎以及低速胎，目前粉胶用途较广如沥青、水泥和建筑等领域。
二、工艺流程设计
裂解废旧轮胎工艺流程为：轮胎粉胶会因温度升高，析出可挥发性成分和炭黑，在反应期间粉胶与挥发性间出现热传递，可冷凝挥发凝结成热解油，不可冷凝部分则变为热解气，当温度持续升高挥发分进一步裂解，并形成小分子气体，通过芳香和缩合反应，最终生产大分子胶状物沉积在热解炭化表面。
三、流化床设计
（一）轮胎颗粒理解反应原理
废旧轮胎裂解过程是对废旧轮胎进行预处理胶粒会在缺氧或厌氧的条件下发生裂解反应，并得到裂解油气和炭黑等物质，这与传统的废旧轮胎处理方式相比可以提升处理量，并且裂解气通过处理可用于液化气，裂解会通过蒸馏分馏获取不同品种的燃料油炭作为轮胎或者是橡胶制品所需要的填充剂。
裂解期间橡胶中主链不饱和键高分子出现断裂，会有单体和碎片等生成，并聚合为烯烃，以为挥发性物质形成固体碳，理解属于合成橡胶逆反应，让橡胶真正返回到油，橡胶裂解会获取约50%的裂解油和炭黑以及少量裂解气，产物成本会根据反应温度、催化剂等因素发生改变。
根据工作流程图，可以知道废旧轮胎颗粒会通过螺旋进料器直接进入到流化床，以热氮气作为载体，废旧轮胎颗粒在流化床内发生反应并产生大量的气体，气体产物会从流化床出气口进入到旋风分离器，分离器对杂质进行分离，裂解后产生废渣通过流化床直接排出；所产生的气体则可以通过旋风分离器进入到冷却器通过冷凝的方式获取油品。
（二）操作条件
轮胎主要是由橡胶和炭黑以及其他添加剂组成，在本次设计中选择裂解原料为废旧轮胎颗粒，热源种电加热丝会产生热量起到育热加热氮气的效果。装置的处理效率在3kg/h，其反应温度和反应压力分别为500℃，0.1013MPa，载气体为氮气，加热后氮气温度在700℃，废旧轮胎颗粒进入到流化床温度在20℃，裂解气排除温度在450℃，废旧轮胎颗粒密度和比热容分别为ρt=1200kg/m3和C=1.904kJ/(kg·K)。
（三）流化床床体设计及计算
1．临界流化速度umf
当流化床内载气的气流速度刚刚到达到使得床层开始流化时的气流速度称为临界流化速度umf，热解流化床温度相对较高，高问下密度和粘稠度会发生明显的变化，其中氮气在反应温度500℃下，密度变为ρg=0.450kg/m3，等压热容变为Cp=1.127kJ/(kg·K)，动力粘度变为μ=3.616×10-5(N·S)/m2。将数据带入到式（1）中得：
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3．操作气速u
流化床实际操作速度u应处于临界流化速度umf与自由沉降速度ut之间，依据经验选取操作气速u为2m/s。
四、结论
本文基于文献资料，对轮胎裂解气企业展开实地调研，对轮胎裂解方式有了全面的认识，并基于理论基础完成实验设备的制作，具体内容包括硫化气体存储装置、涡街流量计等。在装置中采用硫化气体存储方式，流化气体选择氮气，氮气是惰性气体，防止可燃气体燃烧；涡街流量计的应用可以对流化气体的流量进行检测与记录。预热箱的设计可以对将要进入到流化床中的氮气进行预热，防止流化气体降低流化床反应温度。流化床炉体底部为进风口，中部是螺旋进料装置，上部安装旋风分离器，最终裂解气体进入到冷凝装置中进行冷凝。流化床裂解系统的冷凝装置，对裂解轮胎产生的裂解气进行冷凝，分离出油品。
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