一种废塑料与废弃秸秆/废橡胶协同裂解制备两相生物质二氧化硅材料的方法及装备

技术特征：
1.一种废塑料与废弃秸秆/废橡胶协同裂解制备两相生物质二氧化硅材料的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：(1)通过废弃秸秆裂解制备生物质二氧化硅，废塑料裂解产生生物质二氧化硅改性原料；通过废塑料裂解产生的有机气体中的酸性组分中和秸秆裂解过程中加入的碱性组分，并且在催化剂及惰性气体保护的作用下，废塑料裂解产生的有机气体将作为碳源在生物质二氧化硅表面生长形成类石墨结构；(2)新生成的类石墨结构经过迅速冷却固结到生物质二氧化硅表面上，原位引入炭黑功能相结构，减少了生物质二氧化硅的羟基，使其具备炭黑和白炭黑两相特性。2.根据权利要求1所述的一种废塑料与废弃秸秆/废橡胶协同裂解制备两相生物质二氧化硅材料的方法，其特征在于：具体包括以下步骤：1)将破碎后的秸秆，湿度在10～20％之间，粒径范围在10mm～25mm之间，与浓性naoh溶液，浓度在40％～60％，混合均匀后加入废弃秸秆裂解回转式反应釜(
ⅰ‑
1)，反应釜内有质量大小不一的研磨介质，与秸秆及裂解固相产物相互研磨；热解温度控制在450℃～600℃，废弃秸秆裂解回转式反应釜(
ⅰ‑
1)内压力1mpa～2.85mpa，保持氧气的裂解氛围，在裂解过程中一直通入水蒸气；2)废弃秸秆裂解炭化形成的残渣在高温、强碱、高温水蒸气、氧气氛围逐渐形成类二氧化硅材料，研磨介质随着反应釜回转研磨类二氧化硅使其粒径逐渐变小，并且高温水蒸气的作用下使得类二氧化硅表面特性逐渐与商业白炭黑相似，形成生物质二氧化硅；3)生成的生物质二氧化硅在废弃秸秆裂解回转式反应釜(
ⅰ‑
1)的运动下往釜末端移动，将其运输到改性釜(
ⅰ‑
2)中，完成废弃秸秆裂解炭化—类二氧化硅形成—研磨—碳转化形成生物质二氧化硅过程；在废塑料裂解在控制裂解工艺的条件下，能够调控裂解产生的有机气体中碳原子的数量和种类，满足特殊碳源的要求。3.一种废塑料与废弃秸秆协同裂解连续工业化制备高价值两相生物质二氧化硅材料的装备，其特征在于：所属废塑料裂解产生有机气体，是在废塑料裂解回转式反应釜(
ⅰ‑
3)中通过高温使废塑料瞬间汽化，裂解温度在600℃～900℃，此处的温度要与废弃秸秆裂解回转式反应釜(
ⅰ‑
1)、改性釜(
ⅰ‑
2)联动控制；并且废塑料裂解回转式反应釜(
ⅰ‑
3)内压力由单向阀控制，废塑料裂解回转式反应釜(
ⅰ‑
3)内压力维持恒定，在0.02～0.08mpa，并通过智能化控制系统、网络监控废塑料裂解过程中的实时生产获得实验数据以及专家经验，实时调控废塑料裂解工艺，使废塑料裂解产生大量的小分子有机气体，这些小分子气体能够满足生物质二氧化硅改性需求的碳源结构，小分子气体通过相应的管路通入改性釜(
ⅰ‑
2)中；通过有机气体中的酸性组分中和废弃秸秆裂解过程中加入的碱性组分，通过废塑料裂解回转式反应釜(
ⅰ‑
3)产生的油气通往改性釜(
ⅰ‑
2)有两条通道，其中一条通道是直接与改性釜(
ⅰ‑
2)进口端相通，废塑料裂解产生的酸性小分子气体能中和废弃秸秆裂解过程中加入的碱性组分，调整生物质二氧化硅改性ph值范围；
所述废塑料裂解产生生物质二氧化硅改性原料为废塑料原料中含pvc原料比重大的废塑料；生物质二氧化硅在改性釜(
ⅰ‑
2)内改性生成两相生物质二氧化硅材料的过程，在改性釜(
ⅰ‑
2)内，惰性气体氮气通过反应螺杆中心轴通入改性釜(
ⅰ‑
2)内，改性釜(
ⅰ‑
2)内压力维持在3mpa恒定，温度在800℃～900℃，在该温度和压力条件下，废塑料产生的特殊碳源在镍源金属催化剂作用下，逐渐在生物质二氧化硅表面生长形成类石墨结构；所述新生成的类石墨结构经过迅速冷却固结到生物质二氧化硅表面上，是通过改性白炭黑输送系统ⅳ中冷却系统设定温度为15℃，从而使其迅速降温，达到类石墨结构固结到生物质二氧化硅表面上的目的；所述废塑料裂解产生的有机气体将作为碳源在生物质二氧化硅表面生长形成类石墨结构，此处的有机气体是指废塑料裂解回转式反应釜(
ⅰ‑
3)产生的油气通往改性釜(
ⅰ‑
2)中的第二条通道，此通道与第一条通道间隔3～5米。4.根据权利要求3所述的一种废塑料与废弃秸秆/废橡胶协同裂解制备两相生物质二氧化硅材料的方法，其特征在于：在废塑料与废弃秸秆协同裂解连续工业化制备高价值两相生物质二氧化硅材料的装备中实现；所述废塑料与废弃秸秆协同裂解连续工业化制备高价值两相生物质二氧化硅材料的装备包括通过连接部件连接的协同裂解主体系统(ⅰ)，裂解油品冷凝收集系统(ⅱ)，废塑料裂解固相产物输送系统(ⅲ)，改性白炭黑输送系统(ⅳ)，模块化分布式智能尾气综合处理系统(
ⅴ
)，裂解不凝可燃气回用系统(ⅵ)，燃烧供热系统(ⅶ)七大部分；废塑料与废秸秆在不同的裂解反应釜中分别控制各自的裂解工艺，使其产生能够符合两相生物质二氧化硅材料改性要求的生物质二氧化硅和碳源结构；所述协同裂解主体系统(ⅰ)，包括通过部件连接的废弃秸秆裂解回转式反应釜(
ⅰ‑
1)、改性釜(
ⅰ‑
2)、废塑料裂解回转式反应釜(
ⅰ‑
3)三大部分；这三部分整体上下布局、依次排列，废弃秸秆裂解回转式反应釜(
ⅰ‑
1)在最上层，按照权利要求(1)中的裂解方法生成生物质二氧化硅；废塑料裂解回转式反应釜(
ⅰ‑
3)在最底层，按照权利要求1中的裂解方法产生生物质二氧化硅改性原料；生物质二氧化硅与小分子有机气体在中间的改性釜(
ⅰ‑
2)中实现生物质二氧化硅表面类石墨结构的生长，制备出兼具炭黑与白炭黑两种性能的材料；协同裂解主体系统(ⅰ)分别与裂解油品冷凝收集系统(ⅱ)、废塑料裂解固相产物输送系统(ⅲ)、改性白炭黑输送系统(ⅳ)、燃烧供热系统(ⅶ)相连，燃烧供热系统(ⅶ)位于协同裂解主体系统(ⅰ)下方，裂解不凝可燃气回用系统(ⅵ)与裂解油品冷凝收集系统(ⅱ)和燃烧供热系统(ⅶ)相连，模块化分布式智能尾气综合处理系统(
ⅴ
)与燃烧供热系统(ⅶ)相连。5.根据权利要求4所述的一种废塑料与废弃秸秆/废橡胶协同裂解制备两相生物质二氧化硅材料的方法，其特征在于：废弃秸秆裂解回转式反应釜(
ⅰ‑
1)包括废弃秸秆进料装置(1)，废弃秸秆裂解回转式反应釜釜体(2)，传动链条(3)，密封部件(4)，1#传动电机(5)，1#机架(6)，链轮(7)；各部分之间的连接关系：废弃秸秆进料装置(1)通过法兰用螺栓与废弃秸秆裂解回转
式反应釜釜体(2)连接，1#传动电机(5)通过螺栓固定在1#机架(6)上，1#传动电机(5)带动传动链条(3)带动链轮(7)回转运动，链轮(7)焊接在废弃秸秆裂解回转式反应釜釜体(2)上，从而实现废弃秸秆裂解回转式反应釜釜体(2)的回转运动；密封部件(4)固结在废弃秸秆裂解回转式反应釜釜体(2)上，防止裂解过程中裂解气体外泄，引发危险；改性釜(
ⅰ‑
2)，包括2#传动电机(8)、轴承部件(9)、2#密封部件(10)、改性釜釜体(11)、改性釜螺杆(12)、2#机架(13)部件组成，其中2#传动电机(8)承担改性釜螺杆(12)的旋转运动；轴承部件(9)由两个内含深沟球轴承和圆锥辊子轴承的轴承座组成，用于支撑(11)改性釜螺杆；2#密封部件(10)由石墨盘根、压盘和紧定螺栓组成，用于密封改性釜釜体(11)与旋转的改性釜螺杆(12)之间的间隙，杜绝反应釜内的气体外泄；各部分之间的连接关系为2#传动电机(8)，轴承部件(9)，改性釜釜体(11)通过焊接固结在2#机架(13)上，2#传动电机(8)通过联轴器与改性釜螺杆(12)相连，改性釜螺杆(12)两端由轴承部件(9)支撑，改性釜螺杆(12)与改性釜釜体(11)之间通过2#密封部件(10)密封；废塑料裂解回转式反应釜(
ⅰ‑
3)，包括废塑料进料装置(14)，废塑料裂解回转式反应釜釜体(15)，3#密封部件(16)，3#传动电机(17)，2#传动链条(18)，2#链轮(19)，3#机架(20)；各部分之间的连接关系为废塑料进料装置(14)通过法兰用螺栓与废塑料裂解回转式反应釜釜体(15)连接，3#传动电机(17)通过螺栓固定在3#机架(20)上，3#传动电机(17)带动2#传动链条(18)带动2#链轮(19)回转运动，2#链轮(19)焊接在废塑料裂解回转式反应釜釜体(15)上，从而实现废塑料裂解回转式反应釜釜体(15)的回转运动；3#密封部件(16)固结在废塑料裂解回转式反应釜釜体(15)上，防止裂解过程中裂解气体外泄，引发危险；1#机架(6),2#机架(13),3#机架(20)通过焊接连接在一起。6.根据权利要求5所述的一种废塑料与废弃秸秆/废橡胶协同裂解制备两相生物质二氧化硅材料的方法，其特征在于：改性釜螺杆(12)，是根据废弃秸秆与废塑料协同制备类石墨结构中的ph值条件、类石墨结构生长碳源、催化剂要求，适用于改性白炭黑类石墨结构生长的改性螺杆结构，其为阶梯式螺杆结构，根据各个模块的反应条件针对性的布局和设计螺杆类型和结构，总共分为五段结构。7.根据权利要求6所述的一种废塑料与废弃秸秆/废橡胶协同裂解制备两相生物质二氧化硅材料的方法，其特征在于：基于权利要求6中提及的五段改性釜螺杆(12)，第一段螺杆芯轴为圆柱形，直径大，为改性釜(
ⅰ‑
2)内径的60～75％之间；与此段螺杆芯轴对应的螺旋结构为左端面水平，右端面为外凸曲面，螺旋间距为间距；沿着直线z＝0旋转后形成的曲面；其中d为螺旋结构直径，a＝3～5倍螺距，b＝螺旋直径-螺杆芯轴直径；该曲面结构在随着螺杆芯轴旋转过程中其运送能力弱，并且曲面结构与物料运动方向相反，使得裂解炭黑有部分能够往相反的方向运动，有利于裂解炭黑在该段的混合，结合相应的螺杆转速，既能保证裂解炭黑的混合均匀，又能实现裂解炭黑的正向运输。
8.根据权利要求6所述的一种废塑料与废弃秸秆/废橡胶协同裂解制备两相生物质二氧化硅材料的方法，其特征在于：基于权利要求6中提及的五段改性釜螺杆(12)，第二段螺杆芯轴直径逐渐减少，按照异型双曲线方程进行变化，最小直径为改性釜(
ⅰ‑
2)内径的40～55％之间；与此段螺杆芯轴对应的螺旋结构为右端面水平，左端面为凸曲面，螺旋间距逐渐变大；第二段螺杆芯轴按异型双曲线方程进行变化，具体方程如下：d为第二段螺杆芯轴直径最小值；c＝1.2～1.4d,e＝0.9～1.2d；提及的第二段螺旋结构的左端面为凸曲面结构，具体方程如下：沿着z＝0直线旋转后形成的曲面其中d为第二段螺杆芯轴最大直径，a＝3～5倍螺距，b＝螺旋直径-螺杆芯轴最小直径。9.根据权利要求8所述的一种废塑料与废弃秸秆/废橡胶协同裂解制备两相生物质二氧化硅材料的方法，其特征在于：第二段螺杆芯轴和第二段螺旋曲面结构有利于生物质二氧化硅的蓬松，使得废塑料裂解产生的酸性气体与生物质二氧化硅中的碱性物质充分反应，从而调节ph值范围；基于权利要求8中提及的五段改性釜螺杆(12)，第三段螺杆芯轴直径逐渐增大，按照抛物线曲线方程进行变化，最大直径为改性釜(
ⅰ‑
2)内径的(55～65)％之间，与此段螺杆芯轴对应的螺旋结构为两侧都为凸曲面对称结构，螺旋间距逐渐减少；提及的第三段螺杆芯轴照抛物线曲线方程进行变化，具体方程如下：y2＝px qy；p为第三段螺杆芯轴直径的一半；q为第三段螺杆芯轴距第一段螺杆芯轴距的距离；基于权利要求8中提及的第三段螺旋结构两侧曲面对称结构，具体一侧曲面方程与权利要求8中的第二段螺旋结构的左端面为凸曲面结构相同，另一侧曲面方程为其对称结构；所述第三段螺杆芯轴和第二段螺旋曲面结构有利于生物质二氧化硅的压实，为下一步生物质二氧化硅进一步蓬松、分散集聚能量；基于权利要求7中提及的五段改性釜螺杆(12)，第四段螺杆芯轴直径逐渐增小，按照抛物线曲线方程进行变化，变化规律与第二段螺杆芯轴变化规律相同，最小直径为改性釜(
ⅰ‑
2)内径的30～45％之间，与此段螺杆芯轴对应的螺旋结构为右端面水平，左端面为凸曲线，曲面方程与第二段螺旋结构的左端面凸面方程相同，只是该部分的螺旋间距比第二段螺旋间距大10％～15％左右；基于权利要求7中提及的五段改性釜螺杆(12)中第四段螺旋间距比第二段螺旋间距大10％～15％，通过大螺距的螺旋结构将将压实的生物质二氧化硅充分分散，使得废塑料裂解产生的碳源与生物质二氧化硅充分接触，从而达到良好的改性效果；基于权利要求7中提及的五段改性釜螺杆(12)，第五段螺杆芯轴为圆柱形，直径为第四
段螺杆芯轴末端尺寸；与此段螺杆芯轴对应的螺旋结构为中空螺旋叶片，只起输送作用，该螺旋叶片间隔1/3处焊接在第五段螺杆芯轴上；基于权利要求7中提及的五段改性釜螺杆(12)，螺杆芯轴为中空结构，螺杆芯轴与螺旋叶片中间位置为气体通道，为生物质二氧化硅改性惰性气体通入通道；基于权利要求7中提及的五段改性釜螺杆(12)，各段螺旋结构为不连续，在接头位置能够实现物料的混合与分散。10.根据权利要求9所述的一种废塑料与废弃秸秆/废橡胶协同裂解制备两相生物质二氧化硅材料的方法，其特征在于：废弃秸秆裂解回转式反应釜(
ⅰ‑
1)与改性釜(
ⅰ‑
2)连接的管路与改性釜螺杆(12)的第一段螺杆相对应；废塑料裂解回转式反应釜(
ⅰ‑
3)与改性釜(
ⅰ‑
2)连接的第一根管路与改性釜螺杆(12)的第二段螺杆相对应；并且这两个管路之间相距一定距离，在这个距离中螺杆由紧变松在变紧，使白炭黑物料均匀混合，实现盐酸与碱性物质的完全中和反应；废塑料裂解回转式反应釜(
ⅰ‑
3)与改性釜(
ⅰ‑
2)连接的第二根管路与改性釜螺杆(12)的第四段螺杆相对应，在废塑料裂解回转式反应釜(
ⅰ‑
3)中产生的特殊碳源通过该通道与生物质二氧化硅反应；所述废塑料与废弃秸秆协同裂解连续工业化制备高价值两相生物质二氧化硅材料的装备中共有两个油气出口，分别是a废弃秸秆裂解回转式反应釜裂解气通道、j废塑料裂解气输送通道，在改性釜(
ⅰ‑
2)上，其中废塑料裂解回转式反应釜(
ⅰ‑
3)与改性釜(
ⅰ‑
2)共用j废塑料裂解气输送通道，废塑料裂解回转式反应釜(
ⅰ‑
3)中废塑料裂解产生的气体，分别通过c(1)废塑料裂解回转式反应釜(
ⅰ‑
3)ph值调节通道c(2)废塑料裂解回转式反应釜(
ⅰ‑
3)特殊碳源供应通道进入改性釜(
ⅰ‑
2)中，为生物质二氧化硅调节合适的ph值和提供碳源后，经过j废塑料裂解气输送通道进入裂解油品冷凝收集系统(ⅱ)中；所述废塑料与废弃秸秆协同裂解连续工业化制备高价值两相生物质二氧化硅材料的装备中共有两套裂解固相产物输送装置，分别是d两相生物质与氧化硅材料输送管路、e废塑料裂解固相产物输送通道；其中，废弃秸秆裂解回转式反应釜(
ⅰ‑
1)在相应的裂解条件下生成生物质二氧化硅经过b废弃秸秆裂解回转式反应釜固相产物通道进入改性釜(
ⅰ‑
2)中，经过改性反应后，通过d两相生物质与氧化硅材料输送管路进入改性白炭黑输送系统(ⅳ)中；废塑料裂解回转式反应釜(
ⅰ‑
3)中废塑料经过裂解后产生的裂解固相产物经过e废塑料裂解固相产物输送通道进入废塑料裂解固相产物输送系统(ⅲ)中；d两相生物质与氧化硅材料输送管路与改性白炭黑输送系统(ⅳ)相连；e废塑料裂解固相产物输送通道与废塑料裂解固相产物输送系统(ⅲ)相连；f高温水蒸气通道，g氧气氛围通道，h惰性气体输入通道，j废塑料裂解气输送通道，与裂解油品冷凝收集系统(ⅱ)相连；第一段改性螺杆(12-1)、第二段改性螺杆(12-2)、第三段改性螺杆(12-3)、第四段改性螺杆(12-4)、第五段改性螺杆(12-5)、螺杆芯轴(12-6)上开设惰性气体通道；废弃秸秆裂解回转式反应釜(
ⅰ‑
1)与改性釜(
ⅰ‑
2)连接的管路与改性釜螺杆(12)的第一段螺杆相对应；
废塑料裂解回转式反应釜(
ⅰ‑
3)与改性釜(
ⅰ‑
2)连接的第一根管路与改性釜螺杆(12)的第二段螺杆相对应；并且这两个管路之间相距一定距离，在这个距离中螺杆由紧变松在变紧，使白炭黑物料均匀混合，实现盐酸与碱性物质的完全中和反应；废塑料裂解回转式反应釜(
ⅰ‑
3)与改性釜(
ⅰ‑
2)连接的第二根管路与改性釜螺杆(12)的第四段螺杆相对应，在废塑料裂解回转式反应釜(
ⅰ‑
3)中产生的特殊碳源通过该通道与生物质二氧化硅反应。

技术总结
本发明公开一种废塑料与废弃秸秆/废橡胶协同裂解制备两相生物质二氧化硅材料的方法及装备，方法包括以下步骤：(1)通过废弃秸秆/废橡胶裂解制备生物质二氧化硅，废塑料裂解产生生物质二氧化硅改性原料；通过废塑料裂解产生的有机气体中的酸性组分中和秸秆/废橡胶裂解过程中加入的碱性组分，催化剂及惰性气体保护作用下，废塑料裂解产生的有机气体将作为碳源在生物质二氧化硅表面生长形成类石墨结构；(2)新生成的类石墨结构经过迅速冷却固结到生物质二氧化硅表面上，原位引入炭黑功能相结构，减少生物质二氧化硅的羟基，使其具备炭黑和白炭黑两相特性。本发明智能化控制系统能实现废秸秆、废塑料裂解过程的协同控制，满足了裂解工艺需求。裂解工艺需求。


技术研发人员：田晓龙 单体坤 王孔烁 李朝阳 汪传生 宗殿瑞 于本会 刘华侨
受保护的技术使用者：青岛科技大学
技术研发日：2022.07.08
技术公布日：2022/11/15