一种废弃聚酯热预处理耦合微波连续化学解聚装置及方法

本发明涉及一种废弃聚酯的回收装置及方法，尤其涉及一种废弃聚酯热预处理耦合微波连续化学解聚装置及方法。

背景技术：

1、聚酯类塑料产量巨大，广泛应用于民生消费、工业生产与纺织服饰等核心领域，是全球使用最广泛的合成高分子材料之一；在纺织服饰领域，聚酯类塑料（聚酯纤维，俗称涤纶）广泛用于衣物、家纺、产业用纺织品等，成为纺织行业不可或缺的基础材料。

2、由于聚酯类塑料广泛的应用场景和庞大的产量，使用后的聚酯类废弃物在废塑料领域占据着举足轻重的地位，是废塑料回收处理体系中不可或缺的重要组成部分。在纺织品中，聚酯纤维多与其他纤维进行混纺，相比于水瓶中纯净的聚酯类塑料，纺织品中的聚酯成分分离难度更大，更不易于解聚和回收。废弃纺织品中聚酯类塑料的回收利用水平直接关系到塑料污染治理的成效和资源循环利用的质量。

3、目前主流的废弃聚酯类塑料回收方式尚无法实现废弃物的高效资源化利用，将废弃聚酯塑料物理回收后，再生材料的核心指标大幅衰减，仅能用于低附加值制品生产，形成行业内普遍存在的“降级回收”困境；焚烧、填埋等传统处置方式，完全无法实现聚酯资源的循环利用，聚酯类塑料难以自然降解，极易对土壤与水体造成长期持续性污染。

4、近年来，聚酯化学回收技术因其可以将废旧聚酯塑料转化为单体化学品而备受关注。聚酯类塑料在乙二醇溶剂内的催化解聚是一种重要方法，通过引入催化剂和醇解剂乙二醇，聚酯类塑料与乙二醇发生化学反应，得到以单体bhet为主的解聚产物，该单体可用于再生聚酯类塑料的制备和对苯二甲酸二甲酯（dmt）的生产。

5、现有的聚酯类催化醇解装置普遍依赖蒸汽加热或者电加热，如间歇釜式解聚装置，热量通过热传导、对流方式间接加热解聚装置及其内部的醇解剂，但这种装置普遍存在以下不足：1、解聚过程升温缓慢，反应周期长，催化剂用量较大，反应过程能耗高；2、解聚反应不充分，易存在未完全解聚的低聚物，解聚产物中单体bhet的收率与产物纯度偏低，提纯分离工艺复杂；3、间歇釜式操作，难以实现连续化规模化生产，整体生产效率低下。

6、微波加热是基于电磁波与介电材料的相互作用实现的，是一种非接触式的加热方式，可以实现物料整体体积均匀加热。微波加热利用材料的微波吸收能力，实现对物料的快速均匀加热。在聚酯塑料乙二醇解聚过程中，与传统常规加热方式相比，微波加热具有以下优势：1、升温速率大幅提升：乙二醇具有优异的微波吸收能力，解聚过程中，升温速度快、热滞后小，大幅缩短聚酯塑料乙二醇解聚反应时间，提高解聚效率；2、反应选择性强，产物品质高：微波加热可定向促进酯键断裂，抑制副反应的发生，降低杂质产物含量，提升bhet单体收率、纯度及品质；3、能量利用效率高：微波加热时，能量直接作用于反应体系，热散失少，热能利用率高，微波设备可由可再生能源驱动，兼容大幅波动性新能源，实现解聚装置的低碳化运行；4、催化体系适配性强：微波加热可激发催化剂表面附近的界面极化效应，提高催化效率，减少催化剂用量；5、适配连续式生产过程：温控精准、工艺稳定性强，易与连续化设备耦合，适合规模化、自动化连续作业，生产效率更高。

7、然而，现阶段微波催化废弃聚酯乙二醇解聚技术仍存在诸多局限，该技术实验室规模试验效果优异，但反应器放大困难，连续化与工业化配套技术尚不成熟；催化剂催化效果优异但是容易失活且回收困难；现有工艺对废弃聚酯原料纯度要求严苛，复杂混杂废料适用性不足；高负荷运行时，微波设备连续稳定性不足。如cn103827186a公开了一种通过解聚过程回收聚合物材料的方法和设备，提供基本上沿着轴延伸的微波解聚反应器；通过基本上沿着轴移动反应物的阿基米德螺杆移动系统移动该解聚反应的反应物穿过反应器；用微波辐射辐照反应物，同时反应物穿过反应器的反应室以进行解聚反应。其反应器主要由进料管、单一微波反应室和排出管构成，未按照物料在反应过程中的不同状态将微波处理区域划分为进料混合段、主体微波反应段和出料稳定段，也未在各段分别设置用于检测对应区域物料温度的温度传感器，因此，无法分别获得和控制物料在混合预热、主体反应以及出料稳定阶段的温度状态。

技术实现思路

1、发明目的：本发明的目的是提供一种废弃聚酯热预处理耦合微波连续化学解聚装置，本发明的第二目的是提供使用所述装置处理废弃聚酯的方法。

2、技术方案：本发明的废弃聚酯热预处理耦合微波连续化学解聚装置，包括依次相连的微波聚酯熔融过滤单元和微波化学解聚单元，所述微波化学解聚单元包括连续螺旋微波解聚反应器，所述连续螺旋微波解聚反应器内具有螺旋输送驱动机构，沿物料输送方向具有三个微波反应段，分别为占反应器有效轴向总长度15%的进料混合段，占反应器有效轴向总长度75%的主体微波反应段，和占反应器有效轴向总长度10%的出料稳定段，每个微波反应段内分别设有温度监测装置和至少一个能够独立调节功率的微波发生器，所述螺旋输送驱动机构的螺旋叶片上具有若干混合构件，所述微波聚酯熔融过滤单元和微波化学解聚单元的微波发生器均位于装置外侧。

3、其中，由于微波聚酯熔融过滤单元和微波化学解聚单元的内侧具有反应物（液体或固体），微波发生器无法置于反应部件内侧，因此将其置于反应装置外侧产生微波，通过微波发生器自带的微波传输部件导入到反应装置内侧。

4、具体地，所述连续螺旋微波解聚反应器的进料端与所述熔融过滤预处理装置的出口相连通，以使熔融流动态的聚酯类塑料连续流入所述连续螺旋微波解聚反应器，在螺旋输送驱动机构的推送作用以及混合构件的搅拌作用下充分混合接触，促进解聚反应充分进行。在连续螺旋微波解聚反应器内，溶剂吸收微波并转化为热能，以使物料升温并维持稳定的解聚反应条件。螺旋输送驱动机构对物料进行连续推送，实现物料的连续进料、连续反应和连续出料，从而构成连续化解聚反应过程。本发明所述的废弃聚酯，指在乙二醇中解聚后，单体为苯二甲酸双羟乙酯（bhet）的聚酯，如聚对苯二甲酸丙二醇酯（ptt）、聚对苯二甲酸丁二醇酯（pbt）。

5、进一步地，所述进料混合段内，控制该段的微波发生器启动，待解聚的聚酯物料与乙二醇溶剂进行混合，并将混合物料微波预热至180-190℃。进料混合段内设置的温度监测装置实时监测进料混合段的温度，并将检测温度与预设温度范围进行比较，根据比较结果无级调节微波发生器的输出功率。主体微波反应段用于对混合后的物料进行主体解聚反应，通过使主体微波反应段占据有效物料处理通道的大部分长度，能够使混合物料在微波作用下具有足够的反应停留空间和反应时间。优选地，主体微波反应段内具有两个温度监测装置，实时监测主体微波反应段的温度，当检测温度低于预设解聚温度范围时，控制提高微波发生器的输出功率，以使物料快速升温；当检测温度高于预设解聚温度范围时，控制器降低微波发生器的输出功率或者暂停微波输出，以抑制物料继续升温；当检测温度处于预设解聚温度范围内（180-210℃）时，控制器使微波发生器维持与物料散热及反应能量消耗相匹配的输出功率，从而使物料温度保持在预设解聚温度范围内。出料稳定段的温度监测装置实时监测该段的温度，确保温度不低于150℃，防止解聚产物在反应液内析出。

6、所述微波聚酯熔融过滤单元包括微波发生器、搅拌机构和熔融态过滤组件。

7、所述微波聚酯熔融过滤单元的腔体内填充有碳化硅（sic）微波吸收剂，优选为sic颗粒，用于吸收微波能并将其转化为热能，实现选择性吸波发热，以促进聚酯物料快速、均匀升温并形成熔融态。

8、优选地，所述搅拌机构包括承力转轴及安装在转轴上的可拆卸的套筒状碳化硅吸波组件，搅拌机构搅动聚酯物料的同时吸收微波并向物料传递热量，进一步提高熔融装置腔体内的温度均匀性，承力转轴选用高强陶瓷材质。

9、优选地，所述熔融态过滤组件包括可拆卸的不锈钢网式过滤元件和用于排出被截留的不熔杂质的排杂结构。通过过滤装置去除熔融体系内的棉纤维、染料颗粒等非聚酯杂质，得到纯净的熔融流动态的聚酯塑料。

10、优选地，所述微波聚酯熔融过滤单元还包括保温熔体输送管路和熔体计量泵，所述保温熔体输送管路外侧具有伴热组件及保温层，用于维持聚酯熔融态；所述熔体计量泵为熔体齿轮泵。保温熔体输送管路及熔体计量泵用于将经所述熔融态过滤组件过滤后的聚酯连续、定量并保持熔融状态输送至所述微波化学解聚单元。

11、所述连续螺旋微波解聚反应器上连接有乙二醇冷凝回流组件和乙二醇溶剂储存罐。当解聚温度超过乙二醇沸点时，乙二醇受热气化，气化后的乙二醇进入乙二醇冷凝回流组件，并在冷凝为液态后回流至连续螺旋微波解聚反应器内部。经乙二醇冷凝回流组件冷凝但未回流至连续螺旋微波解聚反应器的乙二醇冷凝液流入乙二醇溶剂储存罐，以进行回收和再次利用。

12、所述混合构件沿所述螺旋叶片的轴向间隔布置并沿周向交错布置，且混合构件相对于螺旋输送轴的轴线倾斜角度为20°，用于在螺旋输送驱动机构轴向推送物料的同时，使聚酯类塑料、催化剂和乙二醇溶剂产生径向翻动及周向混合，驱动解聚反应的充分发生。

13、优选地，所述连续螺旋微波解聚反应器为水平的管式反应器，其出口设置于前述出料稳定段的物料输送方向下游，用于连续排出聚酯解聚产物，进行产物bhet的分离及乙二醇和催化剂的回收。所述连续螺旋微波解聚反应器还分别连通有催化剂加注管路和乙二醇溶剂加注管路，用于将催化剂和乙二醇溶剂连续输送至所述管式反应腔内。

14、优选地，所述微波发生器均为2450 mhz的微波发生器磁控管，其外部设置有保温层。

15、所述废弃聚酯热预处理耦合微波连续化学解聚装置还包括由进料装置和破碎装置构成的进料预处理单元，进料装置用于输送废弃聚酯塑料，破碎装置用于将废弃聚酯物料破碎为粒径细小（2-10mm）且均匀的碎片。破碎装置内具有磁选装置，用于去除金属纽扣、拉链等金属异物和明显的非纺织类杂质，为后续熔融与解聚提供良好的物料形态。

16、优选地，所述连续螺旋微波解聚反应器的原料入口、乙二醇溶剂加注管路和微波解聚反应器出口均设有计量泵，用于控制反应过程的入口流量、入口流速、出口流量及出口流速，从而控制反应过程中物料的停留时间。

17、本发明所述的装置处理废弃聚酯的方法，包括以下步骤：经破碎、除磁后的废弃聚酯进入微波聚酯熔融过滤单元中变为熔融态，经过滤后进入连续螺旋微波解聚反应器，在乙二醇溶剂和催化剂的作用下发生解聚，得到含解聚产物bhet的混合溶液，解聚过程中对乙二醇蒸气进行冷凝和回流回收。

18、所述微波聚酯熔融过滤单元中的加热温度为260-280℃，该温度高于聚酯熔点，能够保证聚酯充分熔融。优选地，微波功率为300-800w，搅拌转速50-200r/min。传统加热方式（如电加热、蒸汽加热等）通过导热的方式对物料进行加热，容易出现壁面处和内部的温度差，加热不均匀且效率低；相比于传统的加热方式，微波加热可以实现内部、外部同时加热，提高加热过程的均匀性，避免局部过热，提高加热效率。

19、所述连续螺旋微波解聚反应器中的微波功率为300-800w，进料混合段的解聚温度为180-190℃，主体微波反应段的解聚温度为180-210℃，出料稳定段的解聚温度为＞150℃，绝对压力为0.1-0.5mpa，停留时间为0.5-2h。根据聚酯进料量、各微波作用区的实测温度和目标停留时间调节螺旋转速及各微波作用区的微波功率，使聚酯在微波反应段实现充分解聚，最终连续排出含解聚产物bhet的混合溶液。

20、优选地，所述催化剂为碱金属盐、金属氧化物、过渡金属盐中的一种，进一步优选为氧化锌，其质量为废弃聚酯质量的0.05-0.2wt%，所述乙二醇的质量为废弃聚酯质量的3-8倍。

21、所述破碎、除磁后的废弃聚酯粒径为2-10mm。由于废弃聚酯吸收微波转化为热能的能力较弱，熔融过程实际上是能够高效吸收微波能的碳化硅小颗粒吸收微波转化为热能，进而导致碳化硅的温度升高；当碳化硅的温度趋于一致时，碳化硅迅速将热量传递给聚酯颗粒，提高聚酯颗粒的温度，以此实现均匀升温、高效传热。在该粒径范围内，能够更好的提高熔融效率，减少能耗和熔融时间。

22、有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：（1）将微波熔融预处理与微波化学解聚耦合，消除废弃聚酯塑料物理形态差异及杂质含量对解聚效率的不利影响，解决现有间歇式釜式解聚工艺存在受热不均、传质受限、难以连续稳定运行的工业化运行等问题，实现废弃聚酯塑料的低能耗、高效率、连续化解聚回收，提升单体收率与选择性，降低工艺成本；（2）通过设置三个依次排列且功能不同的反应段，并分别监测各段物料温度，使微波供给可以与不同反应阶段相匹配，从而提高进料混合和升温的均匀性，降低主体反应区局部过热及反应不完全的风险，并抑制出料阶段的残余反应和温度、压力波动，最终提高反应转化率、产品一致性和连续运行稳定性。