摘要
随着废轮胎产生量的日益增加，带来了诸多环境和安全问题，急需对其进行合理处置。裂解是一种高效的废轮胎资源化处理技术，常用的裂解反应器是回转窑，因具有处理量大，原料适应性强等优点备受关注。然而，目前回转窑的设计主要依靠生产实践和经验公式，由于缺乏对反应器内传热与反应耦合匹配关系的深入研究，导致反应器设计不合理，裂解过程传热与反应不匹配，存在裂解设备庞大，过程能耗高等缺点。针对上述问题，本文研究了废轮胎裂解传热特性，获得了裂解过程传热热阻变化规律；建造了百吨级回转窑中试装置，对废轮胎回转窑裂解传热过程进行分析和实验研究，归纳得到了综合传热系数实验关联式；采用数值模拟的方法研究废轮胎颗粒在回转窑反应器内的运动和传热过程，耦合裂解反应动力学方程，建立了废轮胎回转窑裂解传热与反应耦合关系模型；在此基础上，对废轮胎裂解程度与反应器尺寸间的关系进行研究，形成了反应器优化设计准则，对万吨级回转窑反应器的结构进行优化，以减小裂解设备尺寸，提高反应器的热利用效率。 由于废轮胎的导热性较差，传热的快慢控制着整个裂解过程的反应速率。基于此，本文通过理论分析和实验研究考察了废轮胎裂解过程的传热特性。将外部热量传递至颗粒内的传热过程分为反应器壁面与料床间传热、料床内传热、颗粒内传热等三个主要传热环节，分别进行热阻分析和传热测量实验。结果表明，反应器壁面与料床间传热主要受灰垢层厚度的影响，当灰垢层厚度由 2 mm增长至14 mm，反应器壁面与颗粒间传热热阻增大了8倍，物料升温速率仅为0.05℃/s，表明从反应器壁面传递至料床内部的热量已较少。料床内传热过程影响因素较多，其中外界热源的温度影响最大，当温度从400℃到600℃，随着温度的升高，料床内传热热阻减小，温度达到500℃，料床内热阻减小了46%，再升高温度料床内传热热阻不再明显减小。废轮胎粒径是影响颗粒内传热的主要因素，粒径越大，颗粒内传热热阻越大，颗粒中心的升温速率越小，当粒径由4 mm增大至20 mm，颗粒内传热热阻增大了14倍，颗粒中心的升温速率仅为0.06℃/s，表明外界热量已很难向颗粒中心传递。从废轮胎裂解传热过程的热阻分析结果来看，在热源温度500℃，废轮胎粒径小于20 mm，反应器壁面灰垢层厚度小于14 mm的情况下，料床内传热热阻gt;gt;颗粒内传热热阻≥应器壁面与料床间传热热阻，其中料床内传热热阻占总传热热阻的80%以上。 为研究废轮胎在回转窑反应器内裂解时料床内的传热过程，本文建造了百吨级回转窑实验装置，考察了不同工况下物料进入反应器后的温度变化规律。结果表明，回转窑壁温对物料的初始升温速率影响最大，回转窑壁温从400℃到600℃，随着壁温的升高，与物料的温差越大，物料的初始升温速率越大，壁温达到500℃，物料初始升温速率提高了2倍，再升高壁温初始升温速率的提高已不明显。采用量纲分析方法对废轮胎回转窑裂解过程中的相关物理量进行分析，再应用量纲和谐原理获得其中的无量纲量与其他基本量间的相互关系表达式，将无量纲量整理成传热学中实验关联式常用的幂指函数形式，得到在400-600℃裂解温度范围内的废轮胎回转窑裂解综合传热系数实验关联式Hi=C(ρ/ρb)n(Cprdρb/λ)m。根据不同工况下废轮胎回转窑裂解过程中的温度变化结果，建立数据库对函数关系进行数据解析，得出具体的综合传热系数实验关联式Hi=0.00041 (ρ/ρb)0.9 (Cprdρb/λ)0.4。 基于废轮胎颗粒在回转窑反应器内的运动和传热过程分析，引入综合传热系数实验关联式，耦合裂解反应动力学方程，建立了废轮胎回转窑裂解传热与反应耦合关系模型。在百吨级中试装置和万吨级示范装置上分别对所建立模型进行实验验证，结果表明，中试装置内温度的实验结果与模型计算结果吻合较好，最大误差为5.5%，但示范装置内测点温度的实验结果与模型计算结果误差超过17.0 %，表明反应器放大过程中存在放大效应。采用数值模拟的方法对不同尺度反应器的放大规律进行研究，发现随着反应器尺度的增大，反应器内料床传热面积与放大倍数为非线性关系，导致模型计算的温度结果产生了较大的误差，当反应器尺度由百吨级放大到万吨级，料床内最大温差由27℃增大到54℃。根据实验和模拟计算的结果对所建立模型进行修正，修正后的模型计算结果与示范装置内测点温度的实验结果温差小于23℃，误差小于4.8%。 基于修正后的模型对废轮胎在回转窑内的传热传质过程进行分析，根据废轮胎裂解转化率随反应时间的变化关系建立裂解程度分析评价方法，考察了裂解温度和反应时间等因素对废轮胎裂解程度的影响。结果表明，裂解温度对废轮胎裂解程度的影响最大，需达到500 ℃并保持适当的反应时间才能使废轮胎充分裂解；在裂解温度500℃条件下，当反应时间达到40 min，废轮胎裂解程度达到91%，已基本完全裂解。回转窑反应器的长度主要影响废轮胎裂解反应时间，进而影响裂解程度，而直径主要影响反应器的处理量。通过实验研究和表征手段获得了废轮胎裂解程度与反应时间的关系式φ=102.3?99.8?(1+t/23.5)4.6，得到了反应器直径与处理量的关系式G=181.82D2.74，在已知反应器转速ω和反应器内壁螺纹间距d的情况下，可对废轮胎达到特定裂解程度所需反应器的有效长度进行设计计算L=dωt；在既定处理量范围内可对反应器主体有效直径进行设计计算。在此基础上形成了反应器优化设计准则，并对万吨级回转窑反应器的结构优化设计提出具体技术方案，在保证废轮胎充分裂解和反应器处理量的前提下，可将万吨级回转窑反应器的单位容积处理量提高 2.3倍。
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