将混合塑料废物升级改造为清洁汽油和柴油燃料及其他产品的整合的连续转化和分离方法技术

一种从固体塑料废物生产有用燃料流体的方法，其包括将固体塑料废物质装载到反应室中以限定载荷，对该载荷进行HTP以提取烃混合物，过滤该烃混合物以提取固体物质，和将该烃混合物分离成轻质级分(C1至C

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】将混合塑料废物升级改造为清洁汽油和柴油燃料及其他产品的整合的连续转化和分离方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本专利申请要求2020年7月9日提交的美国临时专利申请序列号63/049,914的优先权。


[0003]本新公开总体上涉及化学领域，更特别地涉及用于从塑料废物高效回收燃料油的方法和装置。

技术介绍

[0004]在过去的60年里，塑料废物的量呈指数增长。废物总量中仅约9％被回收利用，12％被焚烧，图1。其余约60亿吨作为废物累积在垃圾填埋场或海洋中，在这些地方，经过数十年或数百年，这些废物缓慢降解成微塑料，从而将有毒化学品释放到环境中。用于从水中除去微塑料和有毒化学品的最先进分离技术花费约为每加仑0.003美元。由于海洋有3.5
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10
20
加仑的水，故从海洋中除去塑料废物、微塑料及它们的降解产物花费将约为10
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美元，或全球GDP的10,000倍。与气候变化相比，这种塑料污染是对陆地上的生命或水下生命更为紧迫的威胁。
[0005]常规方法，包括焚烧、机械回收和热解，无法有效地减少塑料废物量。焚烧会释放温室气体和有毒气体，能量回收率低，并且需要补贴费用(tipping fee)(15
‑
20美元/吨)来补偿处理成本。混合塑料废物的机械回收通常产生深色、低价值的产品，这些产品的用途有限。几次循环后，聚合物性能会下降，而必须将废物填埋或焚烧。热解可将混合塑料废物转化为油，但在不使用催化剂的情况下产率相对较低。快速热解还会生成显著量的多环芳烃(PAH)和焦炭，这会导致催化剂污染和失活，以及高昂的维护成本。这些油需要被运输到炼油厂进行大规模升级和分离，以生产运输燃料或其他产品，从而需要高昂的维护成本。由于这些原因，目前美国只有2％的塑料废物被重新制成用于最初预期用途的产品；98％的新塑料产品由未使用过的原料制成。迄今为止生产的塑料总量中约有80％已作为废物累积在环境中。
[0006]自2010年以来，全球每年产生超过2.2亿吨聚烯烃(PE和PP)废物。聚烯烃的使用寿命非常短(<6个月)并且少于8％的聚烯烃废物通过路边回收被收集并送往MRF。在所收集的聚烯烃废物中，目前有约三分之一的硬质HDPE瓶罐被回收利用，或制成建筑材料。几乎所有的聚烯烃膜，约占聚烯烃废物的五分之一，目前都被填埋或焚烧。每年生产的7800万吨聚烯烃包装材料中仅有14％被收集。在全球范围内，每年产生约2400万吨聚苯乙烯(PS)废物。2018年美国只有0.9％的PS废物被回收利用。这三种类型的废物：PE、PP和PS具有高的能量含量并且是生产液体运输燃料和其他尚待开发的有用产品的有前景的原料。因此，仍然需要更高效且环境友好的方法来从塑料废物回收能量和材料。本新技术满足了这种需要。

技术实现思路

[0007]整合的转化和分离方法(ITCS)包括水热处理、然后分离，已被专利技术用于生产汽油和柴油燃料以及其他有用的产品。该方法消除了对生产燃料的昂贵升级过程的需要，不需要催化剂，并且几乎不产生聚芳烃或焦炭(<1％)。在优选的转化条件下，13重量％的聚烯烃被转化为气体(主要是C3)，87重量％被转化为碳数分布在汽油和柴油范围内(C4至C
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)的油。这些油通过在线蒸馏或多级冷凝而被分离成汽油和柴油产品。来自气体燃烧的能量(5.7MJ/(kg塑料))大于整个ITCS过程所需的能量，ITCS过程包括原料预处理(<0.7MJ/(kg塑料))、解聚(1.5MJ/(kg塑料)、蒸馏分离(1.2MJ/(kg油))或多级冷凝分离(0.4MJ/(kg油)。ITCS方法比从原油生产汽油或柴油燃料的常规方法远更能量有效和环境友好，常规方法消耗44MJ能量并导致产生每kg燃料0.8kg的CO2排放量(图2)。由于ITCS不需要石油钻探和长途运输原油到炼油厂进行裂化和升级的能量输入，故来自燃烧气体的GHG排放量，0.3kg CO2/kg燃料，比从原油生产燃料低60％。与从原油生产燃料相比，ITCS的基建成本、运行成本和总生产成本也更低(图2)。
[0008]如果广泛采用，ITCS方法每年可从聚烯烃生产多达15亿桶汽油和柴油燃料(或全球年燃料需求的4％)并从PS生产1.4亿桶燃料或燃料添加剂。与从原油生产等量燃料相比，ITCS每年可节省多达15亿桶石油能量当量(BOE)并减少GHG排放达1亿吨CO2。ITCS还可为消费者和行业提供财政激励以增加塑料废物收集并减少废物累积和塑料污染。ITCS具有通过生产清洁燃料和其他产品而将当前从原油到塑料产品和到废物的线性路径转变为更经济且可持续的循环路径的潜力(图1)。
[0009]结果表明，在450℃和低得多的压力1.0MPa下，混合聚烯烃废物的低压水热处理(LP
‑
HTP)产生的油与由在450℃和23MPa下的HTP产生的油具有相似的产率(87重量％)和相似的组成。还测试了在氮气的存在下在无催化剂或蒸汽的情况下在450℃和1atm(0.1MPa)下45分钟的热解以进行比较。油的组成类似于在450℃、45分钟和23MPa下产生的HTP油。然而，热解油的产率较低，～85重量％，并且会产生少量的焦炭(～1重量％)和PAH(0.5重量％)。结果表明，LP
‑
HTP在比HTP(>22MPa)低的压力下(0.1MPa至10MPa之间)产生高品质的油，产率高，几乎没有焦炭或PAH，并且不需要催化剂。结果表明，该LP
‑
HTP方法可有效地将聚烯烃和PS废物或者PE、PP和PS的混合物转化为碳数分布在C1至C
31
范围内的烃混合物。C4至C
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范围内的液体可被分离成汽油和柴油燃料。所述烃还有着用作其他产品的潜力，如喷气燃料、蜡、润滑剂、石脑油、重油和生产其他化学品的原料。
[0010]了解HTP的反应动力学使得能够生产碳数分布为C4至C
25
的油，这与汽油(C4‑
C
12
)和柴油(C8‑
C
25
)的碳数范围相匹配。可使用蒸馏来将这些油连续地分离成汽油产品和柴油产品。或者，可利用多级冷凝系统将油分离成燃料。这种更简单的多级冷凝装置利用烃混合物中关键组分的沸点来确定最佳分离温度，从而最大化汽油和柴油产品的分离效率。
[0011]ITCS是一个连续的过程，它通过避免了间歇过程中的启动和关闭时间段而更加多产和能量有效。由于用于转化的能量输入也被用于分离，故能量效率得到进一步提高。此外，来自气体的燃烧的能量大于整个ITCS过程所需的总能量。如下面在实施例1
‑
3中所示，ITCS不需要能量输入并且可具有高达2.2MJ/kg的盈余，而从原油生产燃料需要40MJ/kg的能量。
[0012]ITCS的概述在图3中示出。将塑料进料装载到反应器中以转化为混合产品。然后经
由分离过程将混合产品本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种整合的热转化和分离系统，所述系统包括：具有入口和出口的反应器容器；用于防止固体通过出口的过滤器；用于冷凝油的与所述反应器容器流体连通地连接的第一冷凝器；用于将所述油分离成至少汽油级分和柴油级分的与所述第一冷凝器流体连通地连接的第一分离容器；用于接收所述柴油级分并将所述柴油级分进一步冷凝成柴油的与所述第一分离容器流体连通地连接的第二冷凝器；用于接收所述汽油级分并将所述汽油级分进一步冷凝的与所述第一分离容器流体连通地连接的第三冷凝器；用于接收冷凝的汽油级分并将所述汽油级分分离成蒸气和汽油的与所述第三冷凝器流体连通地连接的第二分离容器；与所述第二分离容器流体连通地连接的蒸气收集容器；用于收集汽油的与所述第二分离容器流体连通地连接的汽油分离罐；与相应的冷凝器可操作地连接的冷冻水源；与所述反应容器可操作地连接的水源；和与所述反应器容器热连通地连接的炉。2.权利要求1所述的系统，其中相应的分离单元为蒸馏塔。3.权利要求1所述的系统，其中相应的分离单元为多级冷凝器。4.权利要求1所述的系统，所述系统还包括：用于接收聚烯烃和聚苯乙烯废物并产生切碎的聚烯烃/聚苯乙烯废物的切碎机；用于接收和合并水与切碎的聚烯烃/聚苯乙烯废物以产生进料的与所述切碎机和所述水源可操作地连接的进料罐；用于接收、混合和向所述入口中泵送进料的与所述进料罐可操作地连接的螺杆泵；和与所述螺杆泵热连通地连接的加热器。5.权利要求1所述的系统，所述系统还包括：用于从所述反应器容器提取固体残渣的形成在所述反应器容器中的固体残渣端口。6.权利要求1所述的系统，所述系统还包括与所述水源可操作地连接的水泵；与所述冷冻水源可操作地连接的冷冻水泵；与所述螺杆泵、所述水泵和所述冷冻水泵可操作地连接的电子控制器；和与所述电子控制器电连通地连接的多个压力和温度传感器；其中相应的温度传感器和相应的压力传感器与各自相应的冷凝器和各自相应的分离容器可操作地连接。7.权利要求1所述的系统，其中所述加热器和所述炉以从所述蒸气收集容器传送的蒸气作燃料。8.一种从固体塑料废物生产有用燃料流体的方法，所述方法包括：a)将固体...

【专利技术属性】
技术研发人员：NH，
申请(专利权)人：普渡研究基金会，
类型：发明
国别省市：