一种等离子体协同催化热解回收塑料的三段式反应系统

摘要

本发明公开了一种等离子体协同催化热解回收塑料的三段式反应系统，包括三段式反应装置、进气系统、电源供电系统、电子测量系统、产物收集系统和产物分析系统；所述三段式反应装置，用于为实验过程提供温度可控的反应空间，以及产生稳定、均匀的等离子体；所述的三段式反应装置中：第一段为热解反应段，第二段和第三段为以下其中之一：等离子体反应段—催化反应段、等离子体反应段—等离子体协同催化反应段、等离子体协同催化反应段—催化反应段、等离子体协同催化反应段—等离子体反应段、催化反应段—等离子体反应段、以及催化反应段—等离子体协同催化反应段。本发明系统灵活性好，三段式反应装置的设定方便针对反应物特性选择处置方式，从而提高产物品质。

权利要求

1.一种等离子体协同催化热解回收塑料的三段式反应系统，其特征在于，包括三段式反应装置、进气系统、电源供电系统、电子测量系统、产物收集系统和产物分析系统；

所述的三段式反应装置，用于为实验过程提供温度可控的反应空间，以及产生稳定、均匀的等离子体；所述的三段式反应装置中：第一段为热解反应段，第二段和第三段为以下六种设置方式的其中之一：等离子体反应段—催化反应段、等离子体反应段—等离子体协同催化反应段、等离子体协同催化反应段—催化反应段、等离子体协同催化反应段—等离子体反应段、催化反应段—等离子体反应段、以及催化反应段—等离子体协同催化反应段；

所述的进气系统，用于提供惰性气氛，将三段式反应装置中第一段热解得到的热解挥发份依次吹扫至第二段和第三段；

所述的电源供电系统，用于提供电场从而产生等离子体；

所述的电子测量系统，用于监测等离子体的电信号，以便间接观察放电过程，计算等离子体放电功率；

所述的产物收集系统，用于收集三段式反应装置最终得到的反应产物；

所述的产物分析系统，用于精确分析反应产物的组分。

2.根据权利要求1所述的一种等离子体协同催化热解回收塑料的三段式反应系统，其特征在于，所述三段式反应装置中，每一段均包含一台加热炉，用于单独控制每一反应段的温度；第一段的反应容器为石英管；第二段和第三段的结构相同，二者均采用刚玉管作为反应容器；所述刚玉管内部同轴设置有不锈钢棒，外部包裹有铜网，刚玉管作为放电介质，不锈钢棒作为高压电极，铜网作为低压电极，等离子体在不锈钢棒与刚玉管之间产生。

3.根据权利要求1所述的一种等离子体协同催化热解回收塑料的三段式反应系统，其特征在于，各段之间采用硅胶管连接，并由密封法兰配合橡胶圈进行密封。

4.根据权利要求1所述的一种等离子体协同催化热解回收塑料的三段式反应系统，其特征在于，所述的进气系统包括惰性气体及质量流量计。

5.根据权利要求1所述的一种等离子体协同催化热解回收塑料的三段式反应系统，其特征在于，所述的电源供电系统为高压电源，所述电源产生连续的交流电流或间断的脉冲电流。

6.根据权利要求1所述的一种等离子体协同催化热解回收塑料的三段式反应系统，其特征在于，所述电子测量系统为示波器。

7.根据权利要求1所述的一种等离子体协同催化热解回收塑料的三段式反应系统，其特征在于，所述产物收集系统由置于盛放冰水混合物烧杯内的洗气瓶及气袋组成，三段式反应装置处理后产生的挥发份流经洗气瓶冷凝为热解油，不可冷凝的气体组分则收集在气袋中。

8.根据权利要求1所述的一种等离子体协同催化热解回收塑料的三段式反应系统，其特征在于，所述的产物分析系统由气相色谱/质谱联用仪及气相色谱组成。

说明书

一种等离子体协同催化热解回收塑料的三段式反应系统

技术领域

[0001] 本发明涉及环境保护及能源储备领域，具体涉及一种利用等离子体协同催化热解回收塑料的三段式反应系统，该系统可用于制备热解油和热解气。

背景技术

[0002] 塑料是石油化工产业的重要产品，由于其产量高、使用寿命低，以及自然降解率低，使得废塑料数量与日俱增。截至2019年，世界塑料的年产量已达3.68亿吨，其中约79％未经妥善处理而被丢弃。混合低值废塑料高效清洁经济处理已成为全球生态环境保护的重大需求和前沿问题。

[0003] 在众多的废塑料处置方法中，通过在缺氧或欠氧条件下加热，将废塑料热解为挥发份并通过催化剂的异相调质产生热解油和热解气是目前最具前景的混合废塑料资源化利用技术。但对于混合废塑料，由于不同种类塑料的热动力学特性差异显著，在相同升温速率和终温条件下，不同废塑料的热解程度不同，导致进入催化反应的热解中间产物分子结构不同。由此，会产生两个问题：其一，热解产物分子差异大，沸点分布宽，组分复杂，不利于催化剂的定向选择；其二热解产物中的多环芳香烃及大分子异构链烃容易覆盖催化活性位，导致催化效率的下降及目标产物选择性快速降低。

[0004] 等离子体作为物质的第四种形态，本质上是一种电离气体。在等离子体内部，通过离解、电子碰撞、激发和电离可以产生多种物质，包括激发的分子、原子或分子离子、亚稳态的物质和室温下的中性原子等。生成的活性物质可以经过重组反应产生高价值的目标产物。近年来，将等离子体与催化剂相结合，引起了人们的关注。现有研究发现，等离子体和催化剂的协同作用可以提高目标产物的产量，减少催化剂结焦。然而，现有研究中等离子体与催化剂的温度同步，由此会带来两个弊端。其一，催化剂活性温度较高(一般大于500℃)，而温度越高，等离子体的能量密度越低、均匀性越差，等离子体性能下降，无法发挥其对于裂解热解挥发份的最大作用，因此很难在同一温度下同时实现催化剂与等离子体的最佳工作状。例如，文献(Y.Fan,M.Zhu,L.Jin,et al.Catalytic upgrading of biomass‑derived vapors to bio‑fuels via modified HZSM‑5coupled with DBD:Effects of different titanium sources[J].Renewable Energy,2020,157.)利用介质阻挡放电与HZSM‑5分子筛协同升级生物质热解挥发份，温度为400℃，但该催化剂的最佳活性温度为500～600℃(孙锴.废塑料催化热解制备芳香烃的研究[D].浙江大学,2021.)；其二混合塑料特性不同，与催化剂和等离子体的协同作用不同。总体而言，等离子体与催化剂同步升温的灵活性较差，不利于针对不同原料采取最佳处置方式。

发明内容

[0005] 为了解决现有技术中等离子体与催化剂温度同步所带来的无法发挥等离子体最大优势以及装置灵活性差的问题，本发明提供一种等离子体协同催化热解回收塑料的三段式反应系统，能够更好的实现塑料的资源化处置。

[0006] 为了达到上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

[0007] 一种等离子体协同催化热解回收塑料的三段式反应系统，该系统用于废塑料等有机固体废弃物在等离子体中的热解和催化热解研究，包括进气系统、三段式反应装置、电源供电系统、电子测量系统、产物收集系统和产物分析系统；

[0008] 进气系统，用于提供惰性气氛，将热解挥发份吹扫至整个反应系统；

[0009] 三段式反应装置，用于为实验过程提供温度可控的反应空间，同时提供单介质阻挡放电结构，从而产生稳定、均匀的等离子体；

[0010] 电源供电系统，用于提供电场从而产生等离子体；

[0011] 电子测量系统，用于监测等离子体的电信号，以便间接观察放电过程，计算等离子体放电功率；

[0012] 产物收集系统，用于收集三段式反应装置最终得到的反应产物，以便进行进一步分析；

[0013] 产物分析系统，用于精确分析产物组分，为反应机理的分析奠定基础。

[0014] 本发明进一步改进在于，进气系统包括惰性气体及质量流量计。

[0015] 本发明进一步改进在于，所述三段式反应装置中，每段均包含：一台电加热炉，用于提供热源及保温，电加热炉可分别控制每一段的温度。反应系统第一段为热解段，在石英管内进行，石英管由橡胶塞密封。橡胶塞中间开孔并插入硬质硅胶管作为反应系统的进气端。有机固体废弃物在石英管内进行热解，热解挥发份流出石英管，进入反应系统第二段。第二段为等离子体装置，刚玉管作为反应装置同时作为放电的介质，不锈钢棒作为高压电极，铜网作为低压电极，等离子体在不锈钢棒与刚玉管之间的间隙产生，由密封法兰配合橡胶圈进行密封。随后，挥发份由反应系统第二段排气口流出进入反应系统第三段。第三段也为等离子体装置，具体构成与反应系统第二段相同。反应系统每段之间由硅胶管连接。根据需要，第二段和第三段可以为以下六种设置方式的其中之一：等离子体反应段—催化反应段、等离子体反应段—等离子体协同催化反应段、等离子体协同催化反应段—催化反应段、等离子体协同催化反应段—等离子体反应段、催化反应段—等离子体反应段、以及催化反应段—等离子体协同催化反应段。所述三段式反应装置可以根据反应物特性、催化剂活性温度高低以及目标产物选择不同处置方式，例如针对聚乙烯和聚丙烯等热解产物分子量较宽(分子量分布在 72‑702之间)的反应物可以选择热解‑等离子体‑等离子体协同热解三段式处置；针对酸性分子筛等活性温度较高(温度高于500℃)的催化剂可以选择热解‑等离子体‑催化三段式处置；针对以烯烃为目标产物资源化回收塑料可以选择热解‑催化‑等离子体协同催化三段式处置。

[0016] 本发明进一步改进在于，电源供电系统为高压电源。该电源既可以产生连续的交流电流，也可产生间断的脉冲电流。

[0017] 本发明进一步改进在于，电子测量系统为示波器。示波器用于监测电信号，以便间接观察放电过程，计算等离子体放电功率等。

[0018] 本发明进一步改进在于，产物收集系统由置于盛放有冰水混合物烧杯内的洗气瓶及气袋组成；

[0019] 经过等离子体协同催化提质后的挥发份流经洗气瓶冷凝为热解油，不可冷凝的气体组分则收集在气袋中。

[0020] 本发明进一步改进在于，产物分析系统由气相色谱/质谱联用仪及气相色谱组成；

[0021] 气相色谱/质谱联用仪用于分析液相产物，气相色谱用于分析气体组分。

[0022] 与现有技术相比，本发明至少具有如下有益效果：

[0023] 本发明提供的一种等离子体协同催化热解回收塑料的三段式反应系统，该实验装置首先通过进气系统使惰性气体充满反应区域，塑料等固体废弃物在第一段热解段热解产生的挥发份由惰性气体依次携带至第二、三段进行提质。根据废塑料组分特征，选择提质方式。提质方式主要有以下六种：热解—等离子体—催化；热解—等离子体—等离子体协同催化；热解—等离子体协同催化—催化；热解—等离子体协同催化—等离子体；热解—催化—等离子体和热解—催化—等离子体协同催化。最后热解产物通过收集系统储存并进行后续分析。概括来说，本发明具有如下优点：

[0024] 1.本发明可用于塑料等固体废弃物在等离子体协同下的催化热解处置。

[0025] 2.本发明支持多种放电模式产生等离子体。

[0026] 3.本发明可实现等离子体在低温下对挥发份作用，此时等离子体的密度高、均匀性好且性质稳定。

[0027] 4.本发明可实现三段温度分别控制，使反应在最佳条件下发生。

[0028] 5.本发明灵活性好，三段式反应装置的设定方便针对反应物特性选择处置方式，从而提高产物品质。

附图说明

[0029] 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明；

[0030] 图1是本发明一种等离子体协同催化热解回收塑料的三段式反应系统结构图。

[0031] 图2是本发明单层介质阻挡放电结构及电子加热炉保温材料的左侧剖视图。

[0032] 其中，高压气瓶1、流量计2、橡胶塞3、石英管4、电加热炉A 5、硅胶管6、密封法兰B 7、刚玉管C 8、高压电极D 9、低压电极E 10、电加热炉A'11、密封法兰B'12、刚玉管C'13、高压电极D'14、低压电极E'15、电加热炉A”16、高压电源F17、示波器G 18、高压电源F'19、示波器G'20、洗气瓶21、烧杯22、气袋23、气相色谱/质谱联用仪24、气相色谱25。

具体实施方式

[0033] 下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

[0034] 参见图1至图2，本发明提供了一种等离子体协同催化热解回收塑料的三段式反应系统，包括三段式反应装置、进气系统、电源供电系统、电子测量系统、产物收集系统和产物分析系统；其中进气系统主要由高压气瓶1和质量流量计2组成；三段式反应装置主要由第一段装置：橡胶塞3、石英管4、电加热炉A 5、胶管6，第二段装置：密封法兰B 7、刚玉管C 8、内置不锈钢高压电极D 9、包裹在刚玉管外部的铜网低压电极E10、电加热炉A'11,第三段装置：密封法兰B'12、刚玉管C'13、内置不锈钢高压电极D'14、包裹在刚玉管外部的铜网低压电极E'15、电加热炉A”16组成；电源供电系统由高压电源F17和高压电源F'19组成；电子测量系统由示波器G18和示波器G'20组成；产物收集系统由洗气瓶21、盛放冰水混合物的烧杯22及气袋23组成；产物分析系统由气相色谱/质谱联用仪24及气相色谱25组成。

[0035] 进气系统由高压气瓶1和质量流量计2组成。惰性气氛可以根据反应物的特性定向选择 (氮气、氩气和氦气等)，惰性气氛通过质量流量计2流向第一段热解段入口。

[0036] 三段式反应装置主要由第一段装置：橡胶塞3、石英管4、电加热炉A 5、胶管6，第二段装置：密封法兰B 7、刚玉管C 8、内置不锈钢高压电极D 9、包裹在刚玉管C 8上的铜网低压电极E10、电加热炉A'11,第三段装置：密封法兰B'12、刚玉管C'13、内置不锈钢高压电极D'14、包裹在刚玉管C'13上的铜网低压电极E'15、电加热炉A”16组成；电源供电系统由高压电源F17和高压电源F'19组成。在第一段装置中，反应物在石英管中加热热解为挥发份后流入第二、三段装置中提质。后两段装置构成相同，均可以通过高、低压电极中的电场在刚玉管与高压电极之间的间隙中产生均匀、稳定的等离子体，同时间隙中可以放置催化剂进行等离子体原位协同催化提质。同时，三段装置用可单独控温的电加热炉进行加热或保温，以确保各段反应均可以在最佳温度下进行。

[0037] 电源供电系统由高压电源F17和高压电源F'19组成。该高压电源用于等离子体的产生，有连续交流电和间歇脉冲电流两种放电模式，便于依据反应物特点进行定向选择。同时可以对高压电源进行电压、电流和频率的调节。

[0038] 电子测量系统由示波器G18和示波器G'20组成。示波器有4个通道，可以同时监测高压电源的输出电信号已经等离子体实际放电信号。

[0039] 产物收集系统由洗气瓶21、盛放冰水混合物的烧杯22及气袋23组成。洗气瓶21可以根据生成物的沸点高低进行串联，气袋23可以实现气体的连续收集。

[0040] 产物分析系统由气相色谱/质谱联用仪24及气相色谱25组成。气相色谱/质谱联用仪24 为测量液相产物的精密仪器，并且可以对产物进行定量分析；气相色谱25可以测量CO2、CO、 CH4、H2和C2‑C4各种烃类气体，同时可对气体产物进行定量分析。各相产物的分析结果可以为分析反应机理提供基础。

[0041] 工作过程(以热解—等离子体—等离子体协同催化三段式反应为例)：首先将废塑料等有机固体废弃物放置于第一段反应器石英管4中，选取合适的催化剂置于第三段反应器刚玉管 C'13中，将实验装置连接好。随后将电加热炉A”16设定为催化剂活性温度进行加热。打开高压气瓶1和质量流量计2，设置气体流量，使惰性气体充满整个反应器。打开高压电源F17 和高压电源F'19、示波器G18和示波器G'20，选取合适的电压进行等离子体放电。待放电过程稳定后，打开电加热炉A 5，此时废塑料等有机固体废弃物开始热解，热解挥发份通过胶管6进入第二段等离子体反应器，经过第二段等离子体提质段后接着进入第三段等离子体协同催化段。最终生成物流经洗气瓶21，热解油冷凝在洗气瓶22内，未冷凝组分收集在气袋 23中。被收集的热解油及热解气分别由气相色谱/质谱联用仪24和气相色谱25进行分析。