將廢塑料轉化成油的方法和系統的製作方法

2023-10-05 06:21:14 3

專利名稱：：將廢塑料轉化成油的方法和系統的製作方法
技術領域：
：本發明涉及將廢塑料轉化成油的方法和系統，該方法是通過將粉狀廢塑料分散於水中形成漿料，並使用在或接近其超臨界區域的水作為反應介質來降解塑料。通常，大多數各種類型的廢塑料是通過傾倒或焚化來處理的，因此其沒有作為資源有效地利用。此外，通過傾倒的處理方法已帶來了一些問題，例如傾倒地點難以保障和傾倒后土地的不穩定性。另一方面，通過焚化的處理方法也帶來了一些問題，例如損害了爐子和排放出有害的氣體和討厭的臭味。同時，1995年頒布的包裝品回收法規定有義務回收和再利用塑料。鑑於這些情況，近來已作了各種努力將廢塑料作為資源再利用。其中的一個例子提出了一種將廢塑料降解並轉化成油的方法，該方法是使用在其超臨界區域的水(超臨界水)或接近其超臨界區域的水作為反應介質進行反應(超臨界水反應)，從而回收有用的油質物質(下文稱作超臨界水方法)，例如在PCT國際公開號為501205/1981的日文公開翻譯文本、日本專利公開號為4225/1982、31000/1993和279762/1994所述的方法。術語「超臨界水」是指處於這樣狀態的水，其溫度不小於它的臨界溫度(374℃)和壓力不小於它的臨界壓力(22.1MPa)。超臨界水可容易地擴散入熔融塑料的油滴中，因此，認為超臨界方法比在常壓下的熱解產生更少的殘餘物，從而可以較高程度的轉化成油。即使溫度和壓力低於臨界溫度和臨界壓力，水也可以以基本上與超臨界水相同的方式起到反應介質的作用，只要它們是處於臨界溫度和臨界壓力附近。然而，在現有技術中，沒有很好地開發出用超臨界方法處理廢塑料的技術。因此，在超臨界條件下很難將廢塑料(特別是含有熱固樹脂和交聯樹脂的廢塑料)連續地加到反應器中，這樣就需要提供一種特殊的或昂貴的用於這種連續加料目的的設備。本發明的目的是提供一種處理大量廢塑料的經濟方法，其中熱塑塑料、交聯塑料、熱固塑料或其混合物連續地加到反應器中而不需區分各種類型的廢塑料，並根據超臨界水方法迅速降解廢塑料並轉化成油，從而工業規模地處理廢塑料。為了達到上述目的，本發明人研究了通過超臨界水方法連續和迅速降解廢塑料並將其轉化成油來處理大量各種類型廢塑料的經濟方法。結果發現，如果將廢塑料研磨成粉末，然後與水混合形成漿料，可將廢塑料容易地加入到管狀連續反應器中，在反應器中水處於或接近其超臨界區域，從而可連續地降解和轉化成油。本發明正是基於這個發現完成的。因此，本發明涉及將廢塑料轉化成油的方法，該方法包括下列步驟將通過研磨廢塑料得到的粉狀塑料與水混合形成漿料，將漿料加到管狀連續反應器中，在使水處於或接近其超臨界區域的反應條件下降解粉狀塑料，然後從反應產物回收油。用這種方法處理的廢塑料可以是熱塑塑料、交聯塑料、熱固塑料或其混合物。此外，本發明還涉及如上所述的將廢塑料轉化成油的方法，其中將分散劑加入到由粉狀塑料和水組成的漿料中。作為分散劑可以使用吸水樹脂、水溶性聚合物、表面活性劑或其混合物。更確切地說，吸水樹脂可以是由聚丙烯酸鹽、異丁烯-馬來酸鹽、聚乙烯基醇、聚丙烯醯胺、聚氧乙烯或澱粉-聚丙烯酸鹽生成的交聯產物。水溶性聚合物可以是天然聚合物如澱粉、甘露聚糖、半乳聚糖或明膠；半合成聚合物如羧甲基纖維素、羧甲基澱粉或甲基纖維素；或合成聚合物如聚乙烯基醇或聚氧乙烯。表面活性劑可以是陰離子表面活性劑、陽離子表面活性劑、兩性表面活性劑或非離子表面活性劑。此外，本發明還涉及如上所述的將廢塑料轉化成油的方法，其中從反應產物分離出的水用於製備由粉狀塑料和水組成的漿料。另一方面，本發明還涉及將廢塑料轉化成油的系統，該系統包括用於將研磨廢塑料得到的粉狀塑料與水混合形成漿料的混合設備，管狀連續反應器，用於將漿料加入到管狀連續反應器的漿料加料設備，用於加熱管狀連續反應器從而在使水處於或接近其超臨界區域的反應條件下降解粉狀塑料的加熱設備，以及用於從粉狀塑料的降解產物中分離出油的分離器。此外，本發明還涉及如上所述的將廢塑料轉化成油的系統，該系統還包括用於將分散劑加入到混合設備的分散劑加料設備。本發明使得通過下列步驟能夠處理大量的廢塑料將廢塑料研磨成粉末，但不需要區分各種類型的廢塑料；由粉狀塑料和水製備漿料；通過適合的設備如漿料泵將漿料連續加入反應器；以及根據超臨界水方法將粉狀塑料迅速降解和轉化成油。圖1是顯示本發明的方法和系統的一個實施方案的流程圖。下文將更詳細地描述本發明。可用本發明處理的塑料的類型包括熱塑塑料、交聯塑料、熱固塑料和其混合物。熱塑塑料不但包括普通塑料，而且還包括工程塑料。該種塑料的具體例子有聚乙烯、聚丙烯、聚-4-甲基戊烯-1、離聚物、聚苯乙烯、AS樹脂、ABS樹脂、聚氯乙烯、聚偏二氯乙烯、甲基丙烯酸樹脂、聚乙烯醇、EVA、聚碳酸酯、各種尼龍、各種芳族和脂族聚酯、熱塑聚氨基甲酸乙酯、纖維塑料和熱塑高彈體。交聯塑料包括，例如通過暴露於輻射、電子射線、光等，通過過氧化物等的作用，或者通過加入交聯單體使上述熱塑塑料交聯得到的那些交聯塑料。熱固塑料不但包括普通塑料，而且還包括工程塑料。其具體的例子有酚醛樹脂、尿素樹脂、蜜胺樹脂、呋喃樹脂、矽氧烷樹脂、環氧樹脂、不飽和聚酯樹脂、烯丙樹脂、熱固性聚氨基甲酸乙酯樹脂和橡膠。這些塑料可以單獨使用，以兩種或多種的混合物使用，或以複合材料如混合物的形式使用。本發明的一個特徵是不但可以處理熱塑塑料，而且可以處理交聯塑料和熱固塑料。因此，不需要區分開各種類型的廢塑料，以致可容易地回收和處理廢塑料。在本發明中，將廢塑料研磨成粉末，然後與水混合形成漿料。粉末的顆粒大小優選其直徑不大於約1毫米。如果粒徑過大，則用漿料加料設備難以將其加到漿料中。由於粒徑減小了，所以用漿料加料設備加料變得更容易，但用於研磨所需的動力和粉末的體積增加了。因此，粒徑通常應在0.1-1毫米範圍內。至於粒徑，大塊材料應磨細成具有0.1-1毫米的直徑或邊長的顆粒，但片狀材料(如薄膜)可磨細成當其形成漿料時相應於體積為約1毫米3的碎片。可以使用任何常規已知的設備如刀片粉碎機和錘磨機作為將廢塑料研磨成具有上述粒徑範圍的粉末的設備。當廢塑料一開始就是具有上述範圍粒徑的顆粒形式時，則不需要進行進一步處理。某些類型的廢塑料以前可以不含有不同於塑料的組分或是純化的，然而，要處理的廢塑料中可存在無機物如填料。對用於製備漿料的水的類型、溫度、壓力和其他性質沒有特別的限制。反應完成後從油分離出的水可以用於該目的。雖然粉狀塑料與水的重量比(粉狀塑料∶水)要取決於塑料的類型，但該重量比可以在1∶0.3-1∶20，優選1∶2-1∶10的範圍內。為了由粉狀塑料和水製備漿料，可以使用任何已知的各種常規用於混合粉末與液體的混合設備，例如裝有攪拌器的立式或臥式混合罐和管狀混合器。由粉狀塑料和水組成的漿料可簡單地在攪拌下混合它們而製備。另外，可在分散劑存在下混合粉狀塑料和水。本發明中所用的分散劑可以是吸水樹脂、水溶性聚合物、表面活性劑或其混合物。分散劑可預先加入到水中，或者加到由廢塑料和水組成的漿料中。可用任何通常已知的分散劑加料設備加入分散劑，例如流體計量泵和粉末計量加料器。吸水樹脂的具體例子包括由聚丙烯酸鹽(例如鈉鹽；下文中同樣適用)、異丁烯-馬來酸鹽、聚乙烯醇、poval-聚丙烯酸鹽、聚丙烯腈水解產物(特別是聚丙烯醯胺)和澱粉-聚丙烯腈水解產物(特別是澱粉-聚丙烯酸鹽)生成的交聯化合物。吸水樹脂的加入量可以不小於0.05％(重量)，優選0.1-1％(重量)(基於水的重量)。水溶性聚合物可以是天然聚合物、半合成聚合物、合成聚合物或其混合物。天然聚合物的具體例子包括澱粉、甘露聚糖、半乳聚糖、酪蛋白、阿拉伯樹膠、谷蛋白、瓜耳樹膠、藻酸鹽和明膠；半合成聚合物的具體例子包括羧甲基纖維素鹽(例如鈉鹽；下文中同樣適用)、甲基纖維素、羧甲基-澱粉鹽、雙醛澱粉、澱粉-乙醇酸鹽、血纖維蛋白-乙醇酸鹽、藻酸乙二醇酯和藻酸丙二醇酯；合成聚合物的具體例子包括聚乙烯醇和聚氧乙烯。水溶性聚合物的加入量可以不小於0.05％(重量)，優選0.2-2％(重量)(基於水的重量)。表面活性劑可以是陰離子表面活性劑、陽離子表面活性劑、兩性表面活性劑或非離子表面活性劑。陰離子表面活性劑的具體例子包括皂、烷基磺酸鹽、烷基苯磺酸鹽、磺基琥珀酸鹽、α-烯烴磺酸鹽、N-醯基磺酸鹽、烷基硫酸鹽、烷基醚硫酸鹽、烷基磷酸鹽和烷基醚磷酸鹽。陽離子表面活性劑的具體例子包括脂族胺鹽及其季銨鹽、芳族季銨鹽和雜環季銨鹽。兩性表面活性劑的具體例子包括羧基甜菜鹼、磺基甜菜鹼、咪唑啉型表面活性劑和卵磷脂。非離子表面活性劑的具體例子包括烷基聚氧乙烯醚、烷基芳基聚氧乙烯醚、烷基芳基甲醛縮合聚氧乙烯醚、聚氧乙烯聚氧丙烯醚、甘油酯聚氧乙烯醚、甘油酯、聚乙二醇脂肪酸酯、聚甘油酯、脫水山梨醇酯、丙二醇酯、蔗糖脂肪酸酯、甘油酯聚氧乙烯醚、脫水山梨醇酯聚氧乙烯醚和山梨醇酯聚氧乙烯醚。表面活性劑的加入量可以不小於0.01％(重量)，優選0.05-1％(重量)(基於水的重量)。例如，當分散劑含有吸水樹脂時，生成的漿料是以凝膠的形式。當使用表面活性劑時，粉狀塑料對水將有較大的親和力，因此容易分散於其中形成低粘度漿料。當使用用於增加粘度的試劑如水溶性聚合物時，將形成高粘度漿料。正如本文所用的那樣，術語「漿料」應包括所有的上述漿料。因此，可以使用各種漿料加料設備將漿料連續地加入到反應器中。漿料加料設備的具體例子包括供漿料使用的蝸殼泵、活塞式輸送設備(例如柱塞泵)和液壓卷揚機(hydrohoist)。因此，與使用壓力加料設備如擠壓機的情況相比，本發明可更經濟和更迅速地將大量的廢塑料加到反應器中。由於用於本發明的管狀連續反應器的作用是在使水處於或接近其超臨界區域的反應條件下降解粉狀塑料，因此使用由可經受這些條件的材料製造的厚壁管。反應器可以是直線形，但也可以將其彎曲成盤管或彎曲成U形使用。反應器的材料的具體例子包括金屬材料如碳鋼、特種鋼(例如Ni，Cr，V和Mo鋼)、奧氏體不鏽鋼、耐鹽酸鎳基合金和鈦；襯以玻璃、陶瓷、無孔碳等的這些金屬材料；包有其他金屬的這些金屬材料。反應管構成的反應器的長度為10-100米，儘管該長度取決於要處理的塑料類型和降解的條件。用適當的加熱設備加熱反應器。可用的加熱設備包括電加熱器、燃燒器、燃燒氣、蒸汽、加熱介質等。然而，優選通過用燃燒器加熱爐來加熱反應器，以便作為塑料降解產物得到的氣和油可用作燃料。用於降解由粉狀塑料和水組成的漿料得到油的反應條件必須是這樣的，以致溫度不低於臨界溫度374℃和壓力不低於臨界壓力22.1MPa，以便使水構成在其超臨界區域的介質，或者壓力不低於臨界壓力的0.8倍，溫度不低於300℃，以便使水構成接近其超臨界區域的介質。為了在處於或接近其超臨界區域的水存在下降解粉狀塑料，溫度應在350-650℃，優選400-600℃的範圍內。如果溫度過高，就會增加產生氣體產物。用於降解粉狀塑料並從而產生油的反應時間應為30分鐘或更短，優選10分鐘或更短。如果反應時間過長，生產率將降低，氣體產物的產量將增加，並且會形成碳。反應產物不經冷卻或如果需要經過冷卻後按照要求通過衝洗閥，然後送入分離器，在該分離器中，反應產物分離成氣體組分和液體組分，液體組分進一步分離成油和水。正如本文所用的，所述的「分離液體組分」是指使其沉降分離，並用沉降器等作為分離器。當使用分散劑時，該分散劑也被分解，但不會影響液體組分的分離。氣體組分主要由具有4個或更少碳原子的烴組成，該氣體組分可用作加熱反應器的燃料，它可直接使用或除去氯化氫之後使用，或者可用於其他用途。該油含有具有5個或更多個碳原子的低沸點烴至在常壓下沸點為500℃的烴。該油從系統中排出並用作燃料、原料、配合組分等，但其一部分可用作用於加熱反應器的燃料。當如此得到的氣體組分和油用作燃料時，它們含有少量可造成環境汙染的硫和重金屬，但與重油和煤相比具有更高的燃燒熱值。此外，可分餾該油，得到的餾分可用作各種類型燃料、化學合成的原料、烴類溶劑等。從系統中排出一部分水並處理，同時剩餘的水可再用來製備粉狀塑料的漿料。如果需要的話，可使水通過過濾器或粗濾器以除去所有固體物質如填料。參考圖1，下面描述了本發明方法和系統的一個實施方案。將通過預處理廢塑料然後按照要求研磨得到的粉狀塑料1送入混合設備2(例如混合罐)，在裝有水8的混合罐2中，用攪拌的水8混合粉狀塑料1，可加入或不加入分散劑12，從而形成漿料3。通過漿料加料設備4將該漿料3連續加入到管狀連續反應器5中，在裝有加熱設備6(即在這種情況下的燃燒器)的加熱爐7中將管狀連續反應器5加熱到預定的溫度，因此，漿料中的水構成了處於或接近其超臨界區域的水介質，以致粉狀塑料降解生成反應產物9。將從管狀連續反應器5中排出的反應產物9通過衝洗閥10並送入分離器11，在分離器11中反應產物分離成氣體組分13和液體組分。氣體組分13從分離器11的頂部排出並加到加熱設備6中，在加熱設備6中氣體組分藉助空氣18燃燒。在分離器11中，液體組分進一步分離成油14和水15。油14從分離器11排出後，其一部分加到加熱設備6中並燃燒，剩餘的油排出系統用於其他用途。一部分水15以排出水16排出系統，剩餘的水作為循環水17循環到混合罐2。參考下面的實施例更詳細地說明本發明。然而，應知道本發明並不限於這些實施例。實施例1-6使用圖1所示的系統，粉碎的包金屬線廢料含有交聯聚乙烯或交聯聚乙烯和聚乙烯的混合物，將該廢料分散於水中，可加入或不加入分散劑，並在表1中所示的條件下降解。管狀連續反應器包括內徑為5毫米，外徑為10毫米和長為60毫米的厚壁反應管。得到的結果示於表1。通過漿料泵將各種類型的漿料連續地加入到反應器中。此外，正如從表1所看到的那樣，廢塑料在短時間內可連續地降解，並且可以高收率地得到燃料氣和油。表1在表1中，吸水樹脂A是交聯聚丙烯酸鈉鹽，吸水樹脂B是交聯澱粉-丙烯酸接枝共聚物的鈉鹽，水溶性聚合物C是羧甲基纖維素鈉鹽，表面活性劑D是聚乙二醇硬脂酸鹽。權利要求1.一種將廢塑料轉化成油的方法，該方法包括步驟將由粉狀塑料和水組成的漿料加到管狀連續反應器中，在使水處於或接近其超臨界區域的反應條件下降解粉狀塑料，和從反應產物回收油。2.根據權利要求1所述的將廢塑料轉化成油的方法，其中塑料是熱塑塑料、交聯塑料、熱固塑料或其混合物。3.根據權利要求1所述的將廢塑料轉化成油的方法，其中將分散劑加入到由粉狀塑料和水組成的漿料中。4.根據權利要求3所述的將廢塑料轉化成油的方法，其中分散劑是吸水樹脂、水溶性聚合物、表面活性劑或其混合物。5.根據權利要求4所述的將廢塑料轉化成油的方法，其中吸水樹脂是由聚丙烯酸鹽、異丁烯-馬來酸鹽、聚乙烯基醇、聚丙烯醯胺、聚氧乙烯或澱粉-聚丙烯酸鹽生成的交聯產物。6.根據權利要求4所述的將廢塑料轉化成油的方法，其中水溶性聚合物是天然聚合物、半合成聚合物、合成聚合物或其混合物。7.根據權利要求6所述的將廢塑料轉化成油的方法，其中天然聚合物是澱粉、甘露聚糖、半乳聚糖或明膠，半合成聚合物是羧甲基纖維素、羧甲基澱粉或甲基纖維素，和合成聚合物是聚乙烯醇或聚氧乙烯。8.根據權利要求4所述的將廢塑料轉化成油的方法，其中表面活性劑是陰離子表面活性劑、陽離子表面活性劑、兩性表面活性劑或非離子表面活性劑。9.根據權利要求1-8的任何一項所述的將廢塑料轉化成油的方法，其中從反應產物分離出的水用於製備由粉狀塑料和水組成的漿料。10.一種將廢塑料轉化成油的系統，該系統包括用於將研磨廢塑料得到的粉狀塑料與水混合形成漿料的混合設備，管狀連續反應器，用於將漿料加入到管狀連續反應器的漿料加料設備，用於加熱管狀連續反應器從而在使水處於或接近其超臨界區域的反應條件下降解粉狀塑料的加熱設備，以及用於從粉狀塑料的降解產物中分離出油的分離器。11.根據權利要求10所述的將廢塑料轉化成油的系統，該系統還包括用於將分散劑加到所述混合設備中的分散劑加料設備。全文摘要本發明公開了處理大量廢塑料的經濟方法,其中熱塑塑料、交聯塑料、熱固塑料或其混合物可連續和迅速降解並轉化成油,該方法不需要區分各種類型的廢塑料。根據該方法,通過研磨熱塑塑料、交聯塑料、熱固塑料或其混合物得到的粉狀塑料與水混合形成漿料,向漿料中加入分散劑如吸水樹脂、水溶性聚合物或表面活性劑。將得到的混合漿料加入到管狀連續反應器中,在反應器中粉狀塑料在使水處於或接近其超臨界區域的條件下降解,最後,從反應產物中回收油。文檔編號C08J11/00GK1197813SQ9810888公開日1998年11月4日申請日期1998年4月16日優先權日1997年4月16日發明者齋藤喜久,守谷武彥,飯島正樹,松原亙,小林一登,鵜川直彥申請人:東北電力株式會社,三菱重工業株式會社