一种实验热解炉及热解系统

1.本发明涉及热解设备技术领域，尤其是涉及一种实验热解炉及热解系统。


背景技术：

2.随着经济和科学技术的不断发展，人们的生活水平不断提高但同时产生了大量的垃圾，在这些垃圾中大多属于塑料。塑料属于高分子化合物，具有良好的稳定性，难以自然降解。热解使得塑料大分子链烃断成小分子，适合聚烯烃类废塑料回收生产油类和化学品能够再次进行利用，并且减少化石燃料的消耗。对废塑料热解后产生的裂解气、裂解油和碳黑进行再次深度净化，能够得到高质量的化学制品，更好的实现再次利用的经济环保型循环。目前研究不同种类塑料或者混合塑料的热解，需要在不同反应器中进行热解比较热解的产物和产率。


技术实现要素：

3.本发明要解决的技术问题是：为了克服现有技术中研究不同种类塑料或者混合塑料的热解，需要在不同反应器中进行热解比较热解的产物和产率的问题，提供一种实验热解炉及热解系统。
4.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种热解系统，包括主气罐、热解炉、风机、冷凝器、储气罐以及集气罐；
5.主气罐通过管道和储气罐连接，
6.热解炉通过管道c连通冷凝器，储气罐通过管道a连通管道c，热解炉通过管道b连通管道a，冷凝器通过管道d连通集气罐，管道d通过管道e连通管道a；
7.管道a上依次间隔布置有第一阀门、第二阀门、风机以及第三阀门，第一阀门位于储气罐和第二阀门之间，管道a和管道b的连接处位于第一阀门和第二阀门之间，
8.管道b上布置有第四阀门；
9.管道c上布置有第五阀门以及第六阀门，管道a和管道c的连接处位于第五阀门和第六阀门之间；
10.管道d上安装有第七阀门；
11.管道e上安装有第八阀门，管道e和管道d的连接处位于冷凝器和第七阀门之间，管道e和管道a的连接处位于第三阀门和风机之间；
12.固定床热解模式：打开第一阀门和第四阀门，关闭第二阀门，氮气进入到热解炉中；打开第五阀门、第六阀门，关闭第三阀门，氮气从热解炉中进入冷凝器；打开第七阀门，关闭第八阀门，氮气从冷凝器出来进入储气罐中；
13.裂解气未冷凝循环的流化热解模式：首先打开所有的第一阀门～第八阀门给系统冲入氮气直到浓度检测仪显示氮气浓度为100％时，关闭第一阀门、第六阀门和第八阀门，其他阀门处于开路状态，此时氮气充满整个系统确保热解过程处于无氧条件；然后开启风机调整风机转速使热解炉中塑料粒子处于悬浮状态，当系统中浓度没有变化时说明热解完
成，关闭风机；打开第六阀门和第一阀门，储气罐中的氮气压力高于系统中的裂解气压力；
14.裂解气冷凝循环的流化热解模式：同样地将所有第一阀门～第八阀门打开，氮气从储气罐进入热解系统，观察系统中氮气浓度达到100％时，说明热解系统中的管道和设备充满氮气处于无氧条件；关闭第一阀门、第三阀门和第八阀门，其他阀门处于开启状态；开启风机，氮气在风机的驱动作用下使热解炉，当系统中浓度没有变化时说明热解完成，关闭轴流风机；打开全部第一阀门～第八阀门，在储气罐的压差作用下将热解系统中的裂解气全部引流到集气灌中，通过三通阀改变气体的流向进入不同的设备从而实现三种中不同的热解模式，满足研究中需要多种热解模式，通过改变裂解气的流动路径实现一个热解炉可以进行多种热解模式，大大简化了实验过程，改变产物和三相产率的比重。
15.进一步包括管道a上安装有浓度检测仪，管道e和管道a的连接处位于浓度检测仪和第三阀门之间。
16.进一步包括管道b上安装有流量计，流量计位于热解炉和第四阀门之间。
17.进一步包括管道c上安装有热电偶，热电偶位于热解炉和第五阀门之间。
18.为了解决塑料热解后产生的焦炭会附着在炉壁以及堵塞布风板，热解炉降至室温后在进行清洗，整个炉体不可拆卸且材料属于耐高温石英玻璃，大大增加了清洗难度和设备损坏风险的问题，进一步包括一种热解炉，包括炉体，炉体的两端分布安装有出气密封端盖以及进气密封端盖，出气密封端盖上安装有热电偶，炉体内安装有布风板，布风板通过支撑架和进气密封端盖连接。
19.本发明的有益效果是：本发明提供的一种热解系统，通过三通阀改变气体的流向进入不同的设备从而实现三种中不同的热解模式，满足研究中需要多种热解模式，通过改变裂解气的流动路径实现一个热解炉可以进行多种热解模式，大大简化了实验过程，改变产物和三相产率的比重。
附图说明
20.下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
21.图1是本发明的结构示意图；
22.图2是本发明热解炉主体的结构示意图。
23.图中：1、主气罐，2、热解炉，201、炉体，202、出气密封端盖，203、进气密封端盖，204、布风板，205、支撑架，3、风机，4、冷凝器，5、储气罐，6、集气罐，701、管道a，702、管道b，703、管道c，704、管道d，705、管道e，801、第一阀门，802、第二阀门，803、第三阀门，804、第四阀门，805、第五阀门，806、第六阀门，807、第七阀门，808、第八阀门，9、浓度检测仪，10、流量计，11、热电偶。
具体实施方式
24.现在结合附图对本发明做进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
25.如图1是本发明的结构示意图，一种热解系统，包括主气罐1、热解炉2、风机3、冷凝器4、储气罐5以及集气罐6，风机3为轴流风机，热解系统的氛围气体为氮气，主气罐1为氛围气罐，气罐中装有氮气；热解开始之前打开氛围气罐阀门，让氮气完全充满整个系统管路确
保热解环境为无氧条件，氛围气罐、储气罐5、热解炉进气口和轴流风机使用柔性管道连接，储气罐5、热解炉进气口和风机3出口分别连接到三通；热解炉出气口、冷凝器进气口和风机进气口使用柔性管道和三通连接；冷凝器4出口、储气罐5以及风机3进口使用柔性管道和三通连接；冷凝器4进气口和风机3进气口的连接管路设有阀门作为旁支管路控制冷凝器4能否进入循环管路；
26.热解炉2、流量计10、浓度检测仪9、风机3和冷凝器4共同组成循环管路使裂解气可以从热解炉进出口实现循环；
27.氛围气罐中的氮气经过减压阀减压后进入储气罐5通往热解炉2；氮气进入热解炉2后带出热解的气态产物，裂解气通往冷凝器4中，冷凝器4的低温环境使得裂解气中的低凝点的油类物质凝结在冷凝器4中收集起来；不凝性的裂解气进入循环管道上，循环管道设有浓度检测装置检测裂解气中保护气体氮气的浓度，以及设有轴流风机为循环提供动力再次进入热解炉，上述为裂解系统的循环管路且裂解气经过冷凝后的循环。
28.氛围气罐中的氮气经过减压阀降低压力后，氮气经过管道上的流量计和压力表得出进入热解炉的流量和压力；氮气进入所述热解炉，同时氮气将塑料流化热解的气体带出热解炉称为裂解气；热解炉出气管道上设有压力表检测裂解气的出口压力，以此可以知道裂解气的在热解炉热解后的压降；裂解气由管道运输至浓度检测装置检测裂解气中保护气体氮气的浓度，通过风机为裂解气循环管道提供动力，裂解气通过管道再次进入裂解炉；上述为裂解系统的循环管路且裂解气不经过冷凝的循环。
29.热解炉出气口的三通和风机进口的三通管道连接并设置阀门作为旁通管路使裂解气不经过冷凝器4，裂解气中的油类气体产物一直在循环管路中参与塑料热解；所述冷凝器4出口的三通和风机进气口的三通连接并设置阀门使经过冷凝器4的裂解气进入循环管路，裂解气经过冷凝器4将油类产物以及气态石蜡留在冷凝器4中，剩余的不凝性气体主要是氮气、甲烷和烷烃类气体等再次进入循环管路作为氛围气体。
30.主气罐1通过管道和储气罐5连接，
31.热解炉2通过管道c703连通冷凝器4，储气罐5通过管道a701连通管道c703，热解炉2通过管道b702连通管道a701，冷凝器4通过管道d704连通集气罐6，管道d704通过管道e705连通管道a701；
32.管道a701上依次间隔布置有第一阀门801、第二阀门802、风机3以及第三阀门803，第一阀门801位于储气罐5和第二阀门802之间，管道a701和管道b702的连接处位于第一阀门801和第二阀门802之间，管道a701上安装有浓度检测仪9，管道e705和管道a701的连接处位于浓度检测仪9和第三阀门803之间，
33.管道b702上布置有第四阀门804，管道b702上安装有流量计10，流量计10位于热解炉2和第四阀门804之间；
34.管道c703上布置有第五阀门805以及第六阀门806，管道a701和管道c703的连接处位于第五阀门805和第六阀门806之间，管道c703上安装有热电偶11，热电偶11位于热解炉2和第五阀门805之间；
35.管道d704上安装有第七阀门807；
36.管道e705上安装有第八阀门808，管道e705和管道d704的连接处位于冷凝器4和第七阀门807之间，管道e705和管道a701的连接处位于第三阀门803和风机3之间，由于塑料粒
子的形状和大小会在流化床中会影响流化效果和传热效率从而改变热解的产物分布以及产率，所以热解炉采用石英材料制成可以观察到塑料在热解过程中形态的变化找到合适的塑料粒子形态；具有3种热解模式分别为固定床热解、未冷凝裂解气循环的流化热解以及冷凝后裂解气循环的流化热解，可以分析塑料在固定床和流化床中热解产物和产率的不同；未冷凝的裂解气中存在大分子的油类物质，通过此热解系统切换是否经过冷凝器探究未冷凝的裂解气否会再次发生反应或是分解为其他小分子烷烃化合物；裂解炉的可拆卸设计，方便热解后对热解炉的清洗；
37.如图2所示，一种热解炉2，包括炉体201，炉体201的两端分布安装有出气密封端盖202以及进气密封端盖203，出气密封端盖202上安装有热电偶11，炉体201内安装有布风板204，布风板204通过支撑架205和进气密封端盖203连接，热解炉采用电热丝加热方式，热解炉主体和加热箱底座分离，加热箱底座的加热装置可以根据控制面板设置加热的最终温度、加热速率以及保温时长，热解炉进出口设置有压力表，可以测算出裂解气在炉中的压降和压力环境；热解炉主体内部设置有热电偶，记录热解过程中热解炉内部温度变化；热解炉进口设置有流量计测量氛围气体的流速；
38.热解炉主体为圆柱体，圆柱体的上下段分别有进出口不锈钢端盖作为热解炉固定的限位器；所述热解炉进出口的端盖尺寸略大于石英圆柱体，热解炉的进出口在上下端盖上，下端盖进气口上部有支撑热解炉内部布风板的支撑架；所述热解炉主体的密封装置，固定套筒，其结构为空心圆柱和圆盘，空心圆柱上边尺寸比端盖略大且刚好包裹端盖，空心圆柱下边尺寸略大于石英管且刚好包裹石英管；
39.热解炉主体的密封装置，橡胶圈、挤压环，橡胶圈尺寸紧贴石英管外壁，挤压环在两个橡胶圈之间，尺寸略大于石英管且刚刚包裹石英管；所述端盖和固定套筒有相对应的螺孔和螺纹由于紧固连接两个部件；所述石英管分为上下两部分，中间有石英圆环，石英圆环内径略小于石英管，将三部分焊接在一起组成石英管，石英圆环作为布风板的限位器固定在石英管上。
40.通过第一阀门801、第二阀门802、第三阀门803、第四阀门804、第五阀门805、第六阀门806、第七阀门807以及第八阀门808改变气体的流向进入不同的设备从而实现三种中不同的热解模式；下面以热解聚苯乙烯的热解特性研究为例。
41.固定床热解模式：氮气从主气罐1中出来，主气罐1为氛围气罐，由于氛围气罐中的氮气压力超过5mpa，在氛围气罐出口处配置减压阀，减小氮气的压力，进入储气罐5中，高压氮气由于在储气罐5中膨胀降低压力保护热解炉2不受到高压氮气的冲击；从储气罐5出来的低压氮气平稳地进入热解炉2中；打开第一阀门801和第四阀门804，关闭第二阀门802，氮气进入到热解炉2中；打开第五阀门805、第六阀门806，关闭第三阀门803，氮气从热解炉2中进入冷凝器4；打开第七阀门807，关闭第八阀门808，氮气从冷凝器4出来进入储气罐5中；经过氮气在上述管路和设备中流通一小段时间确保热解系统为无氧条件；调整氮气流量5～10l/min，确保裂解气可以进入到冷凝器4中；启动热解炉2设定升温速率和时间，热解炉2中设有热电偶11检测热解过程的温度变化以及反应所对应的温度，裂解气随着氮气的流动将反应气体产物带出热解炉2进入冷凝器4；热解的气态产物在冷凝器4的低温环境中凝结出油类化合物以及石蜡等有机物，经过热解后的裂解气进入集气罐6中；热解的固体产物在热解炉2中，液体产物在冷凝器4中，裂解气不凝性产物在裂解气集气罐6中；在固定床热解模
式下，塑料堆积在一起，传热效率相对较低，导致塑料不能够完全分解产生碳分子数在25-60的烷烃化合物，这种化合物具有高熔点、高沸点、高密度、低挥发性、低粘稠度；因此常常作为蜡和润滑剂等原材料使用，当需要热解出大量的固体石蜡时，采用固定穿热解模式；热解的产物中液相产物主要是苯乙烯、三苯基环己烷等产率为33％，固相产物为石蜡、焦炭产率为58％，气相产物为甲苯、乙苯产率为9％；
42.裂解气未冷凝循环的流化热解模式：首先打开所有的第一阀门801～第八808给系统冲入氮气直到浓度检测仪9显示氮气浓度为100％时，关闭第一阀门801、第六阀门806和第八阀门808，其他阀门处于开路状态，此时氮气充满整个系统确保热解过程处于无氧条件；然后开启风机3调整风机转速使热解炉2中塑料粒子处于悬浮状态，系统中的氮气在风机4的驱动下在管路中循环流动，依次经过热解炉2、浓度检测仪9、风机3再次进入热解炉2；然后设置热解炉2的升温速率和时间，塑料开始在裂解气循环的条件下进行热解；当浓度检测仪9的浓度没有变化时说明热解完成，关闭风机3；打开第六阀门806和第一阀门801，储气罐5中的氮气压力高于系统中的裂解气压力，所以将系统中的裂解气带入冷凝器4中以及冷凝后的裂解气进入集气罐702中；因为裂解气在热解过程中未经过冷凝器4，所以裂解气中碳原子在10～25的烷烃化合物再次在高温环境中分解为碳原子数在4～12的烷烃化合物，这些小分子烃类化合物可以作为燃料再次利用；热解的产物中液相产物主要是苯乙烯、甲基苯乙烯、二苯乙烯等产率为36％，固相产物为焦炭产率为23％，气相产物为甲苯、乙苯、甲烷、烯烃类气体产率为41％；
43.裂解气冷凝循环的流化热解模式：同样地将所有第一阀门801～第八阀门808打开，氮气从储气罐2进入热解系统，观察浓度检测仪9显示氮气浓度达到100％时，说明热解系统中的管道和设备充满氮气处于无氧条件；关闭第一阀门801、第三阀门803和第八阀门808，其他阀门处于开启状态；开启风机3，氮气在风机的驱动作用下使热解炉2中塑料粒子处于悬浮状态，氮气依次经过热解炉2、冷凝器4、浓度检测仪9、风机3再次进入热解炉2形成闭合循环回路；开启热解炉2设置升温速率和时间，塑料开始流化热解；裂解气经过冷凝器4在低温环境中油类物质和低凝点的化合物将留在冷凝器4中，同样地根据浓度检测仪9检测管路氮气的浓度确定反应变化和反应起始温度；当浓度检测仪9的浓度没有变化时说明热解完成，关闭轴流风机3；打开全部第一阀门801～第八阀门808，在储气罐5的压差作用下将热解系统中的裂解气全部引流到集气灌6中；裂解气经过冷凝器4的冷凝作用，裂解气中的烷烃化合物液化留在冷凝器4中，裂解气中的甲烷，乙炔、甲苯等小分子气体继续参与热解反应，为油类化合物添加甲基引入非极性基团，提高油类化合物的粘度和稠度，改善油类化合物的耐热性、抗氧化性和耐磨损性，可作为润滑油使用再次使用；热解的产物中液相产物主要是苯乙烯、二甲基芴、二聚对二甲苯等产率为56％，固相产物为焦炭产率为28％，气相产物为甲烷、甲苯、乙苯产率为16％。
44.上述为3种热解模式在此热解系统中的具体实施方法；对于聚苯乙烯固废塑料热解，裂解气未冷凝循环的流化热解模式适合产出小分子烷烃化合物，裂解气冷凝循环的流化热解模式适合产出液相油类化合物；主要是因为热解模式的切换影响热解过程中塑料粒子的传热传质效率，进而改变了分解反应的反应热导致在不同热解模式下热解的产物比重不同。
45.如图2热解炉主题图所示，通过螺栓紧固挤压橡胶圈密封端盖，支撑架和限位器上
下固定布风板；因为布风板204有均匀排列的孔洞，可能热解后的固体产物堵塞孔洞；此热解炉结构简化拆卸且具有良好的密封性；方便热解完成后对石英管和布风板的清洗工作；
46.热解炉的结构包括出气密封端盖202和进气密封端盖203共同将炉体201固定热解加热设备上；炉体201具有耐高温和透明的特性可以观察到塑料热解的状态，在炉体201内部插入有热电偶11监测热解过程中温度的变化；在炉体201中间有部分向内凸出圆环作为布风板204的上限位器；在进气密封端盖203的变径处理段盖上放置支撑架205，支撑架205作为布风板204的下限位器同时具有支撑作用。
47.以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

技术特征：
1.一种热解系统，其特征是，包括主气罐(1)、热解炉(2)、风机(3)、冷凝器(4)、储气罐(5)以及集气罐(6)；所述主气罐(1)通过管道和储气罐(5)连接，所述热解炉(2)通过管道c(703)连通冷凝器(4)，所述储气罐(5)通过管道a(701)连通管道c(703)，所述热解炉(2)通过管道b(702)连通管道a(701)，所述冷凝器(4)通过管道d(704)连通集气罐(6)，所述管道d(704)通过管道e(705)连通管道a(701)；所述管道a(701)上依次间隔布置有第一阀门(801)、第二阀门(802)、风机(3)以及第三阀门(803)，所述第一阀门(801)位于储气罐(5)和第二阀门(802)之间，所述管道a(701)和管道b(702)的连接处位于第一阀门(801)和第二阀门(802)之间，所述管道b(702)上布置有第四阀门(804)；所述管道c(703)上布置有第五阀门(805)以及第六阀门(806)，所述管道a(701)和管道c(703)的连接处位于第五阀门(805)和第六阀门(806)之间；所述管道d(704)上安装有第七阀门(807)；所述管道e(705)上安装有第八阀门(808)，所述管道e(705)和管道d(704)的连接处位于冷凝器(4)和第七阀门(807)之间，所述管道e(705)和管道a(701)的连接处位于第三阀门(803)和风机(3)之间；固定床热解模式：打开第一阀门(801)和第四阀门(804)，关闭第二阀门(802)，氮气进入到热解炉(2)中；打开第五阀门(805)、第六阀门(806)，关闭第三阀门(803)，氮气从热解炉(2)中进入冷凝器(4)；打开第七阀门(807)，关闭第八阀门(808)，氮气从冷凝器(4)出来进入储气罐(5)中；裂解气未冷凝循环的流化热解模式：打开所有的第一阀门(801)～第八阀门(808)给系统冲入氮气直到氮气浓度为100％时，关闭第一阀门(801)、第六阀门(806)和第八阀门(808)，其他阀门处于开路状态，此时氮气充满整个系统确保热解过程处于无氧条件；然后开启风机(3)调整风机转速使热解炉(2)中塑料粒子处于悬浮状态，当系统中浓度没有变化时说明热解完成，关闭风机(3)，打开第六阀门(806)和第一阀门(801)；裂解气冷凝循环的流化热解模式：同样地将所有第一阀门(801)～第八阀门(808)打开，氮气从储气罐(2)进入热解系统直至氮气浓度达到100％时，关闭第一阀门(801)、第三阀门(803)和第八阀门(808)，其他阀门处于开启状态；开启风机(3)，氮气在风机(3)的驱动作用下使热解炉(2)，当系统中浓度没有变化时说明热解完成，关闭风机(3)；打开全部第一阀门(801)～第八阀门(808)，在储气罐(5)的压差作用下将热解系统中的裂解气全部引流到集气灌(6)中。2.如权利要求1所述的一种热解系统，其特征在于：所述管道a(701)上安装有浓度检测仪(9)，所述管道e(705)和管道a(701)的连接处位于浓度检测仪(9)和第三阀门(803)之间。3.如权利要求1所述的一种热解系统，其特征在于：所述管道b(702)上安装有流量计(10)，所述流量计(10)位于热解炉(2)和第四阀门(804)之间。4.如权利要求1所述的一种热解系统，其特征在于：所述管道c(703)上安装有热电偶(11)，所述热电偶(11)位于热解炉(2)和第五阀门(805)之间。5.一种热解炉(2)，其特征是，包括炉体(201)，所述炉体(201)的两端分布安装有出气密封端盖(202)以及进气密封端盖(203)，所述出气密封端盖(202)上安装有热电偶(11)，所
述炉体(201)内安装有布风板(204)，所述布风板(204)通过支撑架(205)和进气密封端盖(203)连接。

技术总结
本发明涉及热解设备技术领域，尤其是涉及一种实验热解炉及热解系统，包括主气罐、热解炉、风机、冷凝器、储气罐以及集气罐；主气罐通过管道和储气罐连接，热解炉通过管道c连通冷凝器，储气罐通过管道a连通管道c，热解炉通过管道b连通管道a，冷凝器通过管道d连通集气罐，管道d通过管道e连通管道a；管道a布置有第一阀门、第二阀门、风机以及第三阀门，管道b上布置有第四阀门；管道c上布置有第五阀门以及第六阀门；管道d上安装有第七阀门；管道e上安装有第八阀门，通过三通阀改变气体的流向进入不同的设备从而实现三种中不同的热解模式，满足研究中需要多种热解模式，大大简化了实验过程。大大简化了实验过程。大大简化了实验过程。


技术研发人员：纪国剑 黄鹏圆 周晓庆 李奥赛 王政伟 金涌
受保护的技术使用者：常州大学
技术研发日：2023.05.26
技术公布日：2023/7/18