分段式塑料热裂解装置及其支承设计

贺雪梅 张红坡

摘要：文章针对目前塑料连续热裂解装置存在的一些问题，提出了一种分段式废旧塑料热裂解装置，采用空心螺旋轴并分段进行热裂解，并对其进行分析和相应的支承部分设计。这种结构的热裂解装置具有生产率高、塑料受热均匀、对零件材料高温下的强度要求降低等优点，为高效的连续热裂解装置的设计提供参考。

关键词：分段式；废旧塑料；热裂解；支承

中图分类号：TB472 文献标识码：A

文童编码：1672-7053（2018）03-0125-02

当前社会，各类塑料制品被大量使用，它们使用广泛而分散，且使用周期短，从而产生大量的塑料制品废弃物，造成资源浪费和环境破坏。因此，对废旧塑料的回收利用有重要现实意义。废旧塑料回收再利用中，连续热裂解工艺作为一种常用废旧塑料回收再利用方式，因其消耗能量少、无需加压、生产效率较高等特点，废旧塑料热裂解工艺目前被广泛应用。本文在分析目前常用废旧塑料连续热裂解装置存在问题的基础上，提出一种分段式连续裂解装置，并对其进行分析和支承部分的详细设计。

1 目前常用连续热裂解装置分析

目前连续热裂解装置的结构形式比较多，且多以螺旋轴的形式为主【1，2】，其基本原理如图1所示。

这类设备通过漏斗连续进料，并由螺旋送料装置将废旧塑料堆积物推送至裂解段，通过热风管内筒通入的高温热风，废旧塑料被裂解段中螺旋板连续推至右侧，在此过程中不断升温并充分裂解。油汽从上面出口排出，残渣从下部出渣口排出。这类设备能够实现热裂解过程的连续进行，生产效率较高。

为了充分裂解，物料在400摄氏度的高温钢管中停留时间为15～30分钟；当裂解温度提高至600摄氏度时，充分裂解至少需要3分钟以上。但由于塑料的传热能力很差，因此容易因加热不均匀产生结焦碳化，从而影响热裂解的进行，因此在热裂解设备中，往往设有图1中所示的裂解段主轴上的螺旋结构等搅拌装置，避免加热不均匀现象【2，3】。

虽然搅拌过程可以改善原料的受热均匀性，但是热裂解需要的高温会使主轴温度升高。因此，有些装置的传动轴在原料进入端进行支承，因為进入端温度较低，对支承部件的要求不高，但这样的悬臂结构布置轴长不能过大，否则会导致轴的强度不足，并最终造成螺旋轴的搅拌速度低，而使物料受热不均匀。有些装置中将主轴两端进行支承，这样可以提高轴的强度，轴的长度以及相应裂解段的长度可以增加，也有利于热裂解的进行，但是主轴高温端需要的支承部件以及轴的材料要求耐高温，从而导致裂解装置整体成本上升。为解决此问题，本文提出一种分段式塑料热裂解装置。

2 分段式塑料热裂解装置设计

2.1 分段式结构的提出

连续热裂解装置目前应用不够广泛，主要是由于热裂解需要很高的温度导致裂解段主轴温度也很高，金属通常在高温下的强度、刚度下降很严重。因此，为了保证裂解段主轴不会出现强度、刚度问题，从理论分析的角度解决以上问题可采取的措施有：（1）采用耐高温材料或增加主轴的截面积提高强度、刚度；（2）减少轴的长度。

对于第一种措施，如果只单纯增加轴的截面积，会增加材料的用量并会使整个裂解设备更重，会给制造和驱动带来诸多问题，因此这种方式很少采用，因此，常见的连续热裂解装置通常被迫减少裂解段主轴的长度。而裂解段长度的减小意味着在有限长度塑料原料要被迅速加热，由于热裂解时原料要在高温条件下保持一段时间，因此造成裂解段螺旋主轴转速慢，从而导致原料不能被有效的搅拌，加之塑料导热差而容易产生结焦碳化，因此目前的连续裂解装置应用并不广泛。

对于第二种措施，为了在保证轴的强度和刚度的情况下，增加裂解段的长度，由此也可以增加螺旋板对原料的搅拌速度，本文提出一种分段式结构，裂解段由2段及以上组成，结构如图2所示（本图是两段式结构示意）。裂解段设计为多段结构，相应的每一段长度减小，既保证了轴的强度、刚度，也提供了足够的裂解段长度，保证热裂解效果。

该装置首段裂解段与入料口连接，其推动物料至末端并掉入与其连接的下一段裂解段；末段裂解段与出渣口相连，原料被从上一段进入末端裂解段后完全裂解，最终将废料炭黑残渣从出渣口排出，具体如图2所示。

2.2 内外加热方式

为避免塑料在高温裂解时因受热不均匀而产生结焦碳化的问题，热裂解装置通常采用搅拌原料的方式，本结构将裂解段的轴做成空心结构，轴内部形成的空腔可以作为高温热风（也可为其他高温流体）的通道，对原料进行内外同时加入热，有效地提高原料受热的均匀性，提高裂解质量。

因为塑料裂解需要慢慢提升温度，因此被鼓风机推动的热风流向应与原料被推动的方向相反，由此可知，分段式裂解转置的热风在相邻两段裂解段应由后一段热风出口，通过管道被送入前一段热风进口。按照图2具体解释如下：高温热风从进风口A进入加热外筒，并从此段热风出口A引出，由于热量被裂解原料吸收，因此热风出口A的热风温度低于热风进口A的温度，通过管道将热风出口A与上一段（图2中的首段裂解段）热风进口B相连，热风进入上一段加热外筒进行加热物料，由于热交换而导致温度降低，并从热风出口B被引出，这样加热有利于塑料原料沿被推送的方向均匀增温。

空心轴内的高温热风流动方向同样与物料推送方向相反，也就是高温热风通过末段裂解段空心轴后，温度变低，此处热风通过管道引入上一段裂解段的空心轴一端，沿与物料推送相反的方向在空心轴内运动，并被从此段空心轴的另一端引出，最终从首段原料进料口端的空心轴引出。且最终从加热外筒、空心轴排出的热风，由于参与热交换，温度已经不高，不会对操作人员造成伤害。

2.3 支承结构设计

两段裂解段在连接处的位置相对固定，由于热裂解时温度很高，为了提高轴的强度，并避免支承部件在高温环境下工作，螺旋轴采用在裂解段外部进行两端支承。采用两端支承可以提高轴的强度，为了解决裂解段末端温度较高的问题，将支承放在裂解段外部，即使高温通过热传导到达支承部位，也会因为支承部位与外界能进行很好的热交换，避免支承受到高温的影响，降低因使用高温轴承而造成的成本增加。

由于螺旋轴和其上支承的外筒都会受到较高的温度，相对于工作开始时有较大的温度变化导致的长度变化，因此要考虑螺旋轴和加热外筒的热变形涉及到的结构问题。螺旋轴及其支承加热外筒之间采用动密封【4】，因此，这里只需要考虑螺旋轴的有效补偿热变形问题的支承结构。具体支承结构见图3。

在如图3所示的支承结构中，空心螺旋轴伸出端上通过键和螺钉固定支承外筒，支承外筒压在滚动支承结构的滚筒上。滚筒通过滚动轴承被支承轴支承，而滚动轴承的摩擦系数很小，因此滚筒可以相对于固定的支架灵活转动。当空心螺旋轴与支承外筒一起转动时，支承外筒与两个支承结构外的滚筒直接接触，它们之间是滚动摩擦，因此，可保证空心螺旋轴的灵活转动。

两段裂解段在连接处的位置相对固定，空心螺旋轴受热后两端会产生相对位移，两边滚动支承结构中的外筒是两边高、中间低的筒型结构，当空心螺旋轴由于温度变化产生轴向变形时，可以通过其两端固连的支承外筒在滚筒的圆柱部分上滑动实现。

3 结论

本文分析了目前连续热裂解装置存在的问题，设计了分段式空心螺旋轴结构，较好的解决了原料受热不均匀和长度较大的高温螺旋轴的强度问题，并通过设计外部滚动支承结构，解决了裂解段主轴的滚动支承问题。采用此种结构能有效的解决目前连续热裂解装置的缺陷，为废旧塑料的回收再利用设备的研发提供参考。

参考文献

[1]李志华，马涛，周云杰废旧橡胶裂解方式及其工艺设备【J】橡胶工业，2014，61 （5）：316-319

[2]兰霞，薛平，贾明印聚乙烯蜡制备装置及工艺研究进展【J】塑料工业，2015，43 （5）：1-5+55

[3]王超，马晓波，王海，陈德珍废塑料热裂解过程有效导热系数的研究[J]材料导报，2013，27 （10）：108111

[4]李志华，刘飞鹏废旧橡胶连续裂解装置传动轴端部密封结构分析【J】特种橡胶制品，2017，38 （01）：60-62