我国废塑料油化技术的应用现状与前景

我国废塑料油化技术的应用现状与前景

冀星,钱家麟,王剑秋,李术元,郭绍辉

(北京石油大学化工学部,北京昌平102200)

随着人们对废塑料造成危害的认识逐步深入,废塑料油化技术在我国的研究及应用发展迅速,已有许多相关专利问世。一些大学和科研院所对废塑料裂解油化技术进行了基础理论和应用研究,并在北京、南京、武汉、哈尔滨、西安等大中城市建立了废塑料油化实验工厂。但是,在废塑料油化技术的发展应用过程中存在许多问题,如:(1)处理的原料单一,大多厂家只能处理占废塑料总量28%的废聚丙烯,使其供不应求,而不能处理分别占废塑料总量46%和18%的聚乙烯和聚苯乙烯;(2)分选技术落后,靠人工分造,劳动强度大,卫生条件差,效率低;(3)除渣设备落后,大多数设备只能在停止生产、设备适当降温之后才能出渣,不能连续生产;(4)热能利用不合理,造成大量热能浪费;(5)使用煤等燃料,产生大量废气;(6)清洗和切碎废塑料过程中产生大量废水和灰尘,造成二次污染;(7)基础研究滞后,大多数厂家采用工业裂化催化剂进行废塑料的裂解或改质,所得汽油的辛烷值低,胶质含量高,诱导期短,所得柴油凝点高;(8)无相应的废塑料收集和运输体系,收集单位分散,运输过程中尘土飞扬;(9)无统一的技术管理体系,油品鉴定单位五花八门,不少鉴定缺乏科学性;(10)新闻宣传言过其实,不少单位技术不过关却到处转让,引起不少纠纷。以上问题,如不认真加以解决,将严重阻碍我国废塑料油化技术的发展。废塑料油化技术在世界范围内已有成功的先例,德国、美国、日本等国均建有大规模的废塑料油化工厂。由于我国的人均塑料消费量较低,相应的法律、法规正在酝酿之中,垃圾分类投放的习惯和体系正在培育之中,因此,这种大规模的工厂并不完全适合我国的国情。本文旨在分析我国废塑料油化技术应用中存在的问题及产生这些问题的原因,借鉴国外废塑料油化技术发展过程中的经验教训,结合我国的实际情况,探讨适合我国国情的废塑料油化技术应用和发展之路。

1 废塑料油化技术的经济技术评价

废塑料油化技术有热解法、热解-催化改质法和催化热解法3种基本方法。它们又有不同的工艺形式,这些方法和工艺形式可用图1表示。

1.1 热解法

本法是仅通过加热将废塑料热解为小分子的气体和油品。早期的废塑料油化工艺多采用本法,其工艺流程如图2所示。

本法投资少,工艺简单,主要设备有热解反应、分馏塔、加热和温度控制器、进料装置。以日处理3t废塑料的规模计算,设备成本约30~40万元。该方法裂解反应温度高,反应时间长,所得汽油辛烷值低,且含有大量烯烃,诱导期短;柴油凝点高。该方法已较少应用,但若采用合适的条件,可将聚乙烯、聚丙烯制成熔点较高的蜡,则经济效益较高。总之,该方法不适合制油,适合制蜡。

1.2 热解-催化改质法

本法是对热解产物进行催化改质,所得油品质量好,在废塑料油化技术中应用较多,其工艺流程如图3所示。

目前,本法多用于处理混合废塑料,操作灵活运行费用较低,油品质量好。本法所用设备主要有塑料切碎机、塑料挤出机、热解釜、催化反应器、分馏塔、工业阻火器、油水分离器、油品储罐等。由于热解温度较高,反应器的材质应为不锈钢或高碳钢,日处理3t废塑料的设备投资约为80万元。为了提高反应速度,缩短反应时间,可在热解段加入少量催化剂,形成催化热解-催化改质的复合二段法工艺。

1.3 催化热解法

本法是将催化剂与废塑料混合在一起进行加热,热裂解与催化裂解同时进行,以催化裂解为主反应速度快、时间短,油品中异构化、芳构化产物较热解工艺所得油品多,但催化剂与废塑料中的泥沙裂解产生的残碳混合在一起,催化剂不易回收。为解决这一问题,多采用对废塑料进行清洗或将熔融的废塑料通过催化剂层形成催化蒸馏的工艺形式。其工艺流程如图4所示。

本法所需的设备主要有塑料切碎机、塑料挤出机、催化热解釜、分馏塔、油品储罐、各种阀门、控温仪表等,日处理3t废塑料的设备投资约为50~60万元。但本法操作控制较为困难。

综上所述,同样规模的废塑料油化工厂的投资,热解法最少,热解-催化改质法最多,催化热解法居中;热解反应温度,热解法最高,催化热解法最低,热解-催化改质法居中;反应速度,催化热解法最快,热解-催化改质法居中,热解法最慢;油品质量,热解-催化改质法最好,催化热解法次之,热解法最差;生产1t油耗费的废塑料,热解法最少,热解-催化改质法居中,催化热解法最多;吨油成本,热解法最低,热解-催化改质法居中,催化热解法最高。综合平衡,以热解-催化改质法为最优;催化热解法如能解决熔融物料的净化与输送问题以及废塑料残渣与催化剂的分离问题,则将具有很大的发展潜力。

2 原料收集体系及运输距离

按液体收率为80%、废塑料垃圾中塑料的含量为65%计,则每生产1t油品需废塑料1.92t,日生产3t油品的废塑料油化工厂1a需废塑料1728t以城市人均年产生废塑料5kg计,则在拥有34560人口的城市可以建一此类规模的废塑料油化工厂。以农村人均年产生废塑料3kg计,则在拥有576000人口的农村地区也可以建一此类规模的废塑料油化工厂。废塑料的价格取决于收集费用和运输费用。由于废塑料分布分散,密度较小,难于收集,因此需要建立高效的收集体系。参照国际通行的经验,在居民小区建立垃圾收集点,垃圾分类投放,然后由废塑料油化工厂统一收集废塑料垃圾,这个方法已开始在北京的清华大学教工住宅区、颐和园公园及其他几个住宅小区实施,很有成效。但还存在一些问题,如居民小区的塑料垃圾收集筒无人管理,垃圾不能及时运走;信息不通,有时运送废塑料的垃圾车拉不到货物等。建议对居民区产生的废塑料垃圾,由废塑料油化工厂与居民区物业管理部门协作,建立相关的信息网络;对建筑行业产生的废塑料垃圾,由城市管理部门或污染控制部门通知废塑料油化工厂;对废塑料的运输,应采用封闭货车,避免粉尘飞扬造成二次污染,且运输半径不能太大,以0.4元(t·km)计,则废塑料油化工厂应以200km的运输半径为限,为降低运输成本可以先将废塑料熔融造型,然后再运输。

3 污染及其控制

废塑料油化技术本身是一项消除污染的技术但如设计不合理或管理不完善,则在处理过程中又会产生二次污染,因此,需加以严格控制。