一种用于废塑料自热热解的新型鼓泡流化床(Bubbling Fluid Bed)反应器

《Canadian Journal of Chemical Engineering》：A novel bubbling fluid bed reactor for the autothermal pyrolysis of waste plastics

　　

摘要：研究人员开发并测试了一种在连续条件下运行的新型中试规模流化床反应器，用于高密度聚乙烯（HDPE）的热解。研究重点是在不同操作条件（400–550°C）下评估系统的可靠性和运行性能，同时监测质量与能量平衡、产物分布及挥发分组成。该反应器采用双区架构，结合下部燃烧区和上部热解区，在实现非氧化热解的同时内部产热。系统在无床层团聚的情况下实现稳定运行，支持其在千克每小时（kg/h）规模下的连续运行适用性。此外，冷凝-再循环回路在减少淡水需求的同时实现了持续冷却。在400、450和550°C下进行的实验分别获得了最高达69.8 wt%（450°C最大）的液体产物、最高达38.9 wt%（550°C最大）的非凝性气体，以及低于0.3 wt%的焦炭，符合HDPE热解的典型特征。气体馏分中储存的化学能系统性地超过了辅助丙烷输入量，凸显了通过气体再循环实现自热操作的潜力。这些结果证明了所开发反应器的可行性与稳健性，同时突出了两个关键优势：紧凑的反应器设计以及能量自持运行的可能性。

论文解读：《一种用于废塑料自热热解的新型鼓泡流化床反应器》

一、研究背景与意义

在迈向可再生能源与可持续能源体系的转型中，循环经济与生物精炼概念日益重要。快速热解作为一种将有机废弃物（如废塑料）在无氧高温（400–600°C）下转化为生物油、气体和焦炭的热化学方法，具有高热质传递速率的优势。尽管流化床（特别是鼓泡流化床BFB和循环流化床CFB）因易放大和温度均匀被广泛研究，但废塑料的大规模连续热解仍面临技术经济挑战。传统热解（异热热解）需外部供热，随着反应器放大，传热效率下降且热负荷需求剧增，制约了规模化。为解决此限制，自热热解（Autothermal Pyrolysis）通过反应器内放热与吸热反应耦合实现能量自给。然而，现有自热方案多采用氧化热解，引入氧气会导致产物水含量增加，降低热解油品质。本研究由Khadija Olivia Ogoula Igouwe等人发表于《Canadian Journal of Chemical Engineering》，提出一种新型鼓泡流化床设计，将下部燃烧区与上部非氧化热解区分隔，利用部分热解气燃烧供热而不污染热解区，旨在验证其操作可行性及自热潜力。

二、主要关键技术方法

研究人员设计了公斤级（kg-lab）中试规模自热鼓泡流化床反应器，反应器本体为混凝土内衬隔热层，内径0.13 m、高0.52 m，分为下部丙烷/空气燃烧区与上部HDPE热解区，燃烧尾气经分布板进入上部兼作流化介质与热源。以1 kg氧化铝砂（d_p≈250 μm，ρ_p=3965 kg/m³）为床料，HDPE颗粒（1–6 mm）通过水冷螺旋给料机在中部送入。系统先燃丙烷预热至目标温度，再启动物料进给。产出蒸气经逆流洗涤塔（水再循环）冷凝分离液相，不凝气经乙二醇捕水器后计量并火炬排放。在400、450、550°C三水平下稳态运行（~3.2 kg/h HDPE，丙烷~2.7 L/min，空气~64 L/min），通过K型热电偶、压力计及LabVIEW数采系统监控，气相经GC-MS/GC定量，液体热值由氧弹量热仪测定，产物收率基于全局质量平衡（塑料+丙烷+空气扣除N₂）计算，自热指数η_a定义为产气化学能/丙烷供能。

三、研究结果

3.1 反应器可操作性

在加热阶段，通过底部丙烷过量空气燃烧逐步升温，为避免局部过热（<1100°C）手动调节空燃比。测试1–2因初期保温不足及冷砂投料导致升稳时间长（80–100 h）和温度波动；测试3通过加强隔热与预热水砂将加热缩至48 h并实现稳态。进入热解阶段后，固定丙烷/空气流量提供定热输入，三个温度下的床层、分离室及出口温度均保持平稳，证明热控可靠且反应器可稳定连续运行。

3.2 产物收率与挥发分组成

3.2.1 质量平衡与产物收率

在400、450、550°C下，随温度升高，气体收率持续上升（至38.9 wt%），液体收率先升后略降（最高69.8 wt%@450°C），焦炭始终<0.3 wt%，符合HDPE热解典型规律。趋势源于高温促进β-断裂与二次裂解，长链碎片向轻烃转化，而HDPE几乎无缩聚成焦路径，验证反应器可提供适宜热裂解环境。

3.2.2 挥发分组成

出口气体含N₂、CO₂、CO、H₂、CH₄及C₂–C₄烃。CH₄占比随温升增大（550°C最高），反映二次裂解为稳定小分子；H₂略降可能受燃烧区氧化/稀释影响；C₃H₆在~500°C区间较突出，与PE的β-断裂及丙烯相对惰性一致。液体GC/MS显示：400–450°C液相以含氧化合物（~55 area%，源于底部燃烧生成水/CO₂及水再循环接触）和长链直链烃为主；550°C时单环及多环芳烃（PAHs）占比>75%，表明高温促进脱氢、环化与芳构化，本征PE裂解占主导。

3.3 能量效率

液体产物平均低位热值（LHV）41.8 MJ/kg，气体LHV受组成调控（550°C: 8.35 MJ/kg；400°C: 4.29 MJ/kg；450°C: 2.77 MJ/kg）。总输入能=塑料化学能+丙烷燃烧能（~12–13.6 MJ/h），理论PE分解需~4.5 MJ/h，丙烷供热留有余量补偿热损。整体能量效率η_e约54%，偏低主要因可凝液部分残留在管路/洗涤塔未全收集而非反应器性能差。气体携能于550°C达59.95 MJ/h。自热比η_a（产气化学能/丙烷供能）分别为442%（550°C）、177%（400°C）、139%（450°C），均>100%，证实热解气完全可替代外源丙烷实现自热运行。

四、讨论与结论总结

研究人员讨论指出，本自热BFB设计通过在燃烧区燃丙烷（未来可换为部分热解气）为上部非氧化热解区供热，避免了氧化热解对油品质量的负面影响，并在公斤级连续运行中展现良好稳定性与能量自给潜力。局限在于热解气体积流量远高于丙烷，若直接全量再循环可能改变流化数与停留时间，影响二次反应与选择性。未来需探索富烃馏分选择性循环或脱惰（N₂/CO₂）分馏策略以兼顾能量集成与产物调控。

结论翻译：

本工作证明了所开发的新型中试流化床反应器用于HDPE热解的可行性与可操作性。系统在400、450及550°C下可靠运行，修正质量平衡下液体收率可达69.8 wt%、气体38.9 wt%、焦炭可忽略。冷凝-再循环回路在保障持续冷却的同时降低了淡水消耗；能量平衡显示热解气化学能均高于辅助丙烷输入，凸显了通过气体再循环实现自热操作的潜力。当前局限主要在于气体再循环实施：热解气体积流量显著高于丙烷，可能改变流化动力学与气相反应用。后续研究应探讨气体管理策略，如选择性再循环（富烃馏分）或脱惰分馏，以提升能量集成度并保持稳定运行与产物选择性。