基于无氧环境及催化裂解条件下的关于含有高聚物的废弃物的无害化处理及碳捕集技术的研究

基于无氧环境及催化裂解条件下的关于含有高聚物的废弃物的无害化处理及碳捕集技术的研究

1张瑞,2陈瑶,3林鹏山,4刘长峰,5郑杰思,6刘永智,7林志明,8李智,9黄涛

10朱霖

1.5.6.7碳猎研发中心（深圳）有限公司，

2.8.10深圳浑沌数字化实验室科技有限公司，3.4.9中检检通（深圳）实业有限公司

摘要：本研究旨在研究在无氧环境及催化裂解条件下关于含有高聚物的废弃物的无害化处理及碳捕集技术与方法学，经过初步的测试，本研究设计的工艺基本实现了低温常压下将含高聚物的废弃物进行裂解并保证了整个工艺环保可持续，在一定程度上实现了存量高聚物的碳捕集，未来研究中将进一步测试其他含高聚物的废弃物以及影响工艺的各项参数以及碳捕集方法学研究。

一、研究背景

随着国民经济的快速发展，新工艺、新材料、新产品的出现，加快了材料和产品的换代速度【1】。因而每年有大量的固体废弃物甚至危险废物产生，同时在工业生产环节如电镀行业，锂电池行业、国际贸易海关滞留物以及生活垃圾回收处理行业也存在着很多废弃物无法处理的问题，随着“碳中和”和“碳达峰”的整体规划纲要的出台，在存量含碳高聚物的处理上如果能有技术突破将对整个规划的实施起到革命性的作用【1】，反之，如果这些废物若处理不当，而工业生产和经济发展又在不断的产生含有高聚物的废弃物，将会对环境造成的污染越来越严重，仅仅靠节能减排和绿能替代并不能完全解决“碳中和”的目的。

二、技术理论研究

针对含碳高聚物的处理研究已经有半个世纪之久，较为常见的主要为两个研究方向，焚烧和裂解，相较于直接焚烧，热解是实现污泥处理、处置稳定化、减量化、无害化、 资源化目标的有效手段之一，与焚烧类似、同属热处理方法； 但是与焚烧相比，它更具有优越性【2】。

而近年，国内外对热解工艺的研究也呈百花齐放的趋势，低温热解制碳：SlurryCarbTM碳化工艺为代表，也是水热处理的一种 ：在反应温度<300℃，反应压力<10MPa的水热条件下高聚物热解炭化，液固分离后炭可以作为燃料使用，但无机盐类无法回收分离。针对含油量较高的含高聚物废弃物，有且企业研发出中低温热解制油工艺：300~400 300~400℃，以制油为目的；澳大利亚ESI公司的Enersludge工艺是其代表；再次，为中高温碳化工艺：温度为649‐982℃。先将含高聚物废弃物干化至含水率约30％，然后进入炭化炉高温碳化。碳化颗粒可以作为低级燃料使用，其热值约为2000－3000大卡/公斤（在日本或美国）

此技术上较为成熟的公司包括日本的荏原，三菱重工，巴工业以及美国的IES等。

最后主流的热解研究领域工艺还包含热解气化： 800℃以上的运行温度，利用污泥自身的部分氧化生产的热能将污泥热解、产气，利用气体燃烧或者发电。

但以上工艺均无法实现含碳高聚物的有效资源化回收，有些工艺设备的应用过程中对设备建设要求极高比如压力容器，安全管理要求较为严苛，那么是否有可能研发出一套在近乎常压下的热解装置，有很好的将含高聚物废弃物内的有价值产物进行回收资源化利用，从而变废为宝呢？参考国内外及前人的理论研究成果，在无氧条件下升温热解含碳高聚物产品是比较可行的研究方向，但温度和压力都不能太高，因此我们需要引入载流子体和催化剂或激活热源比如等离子体或者过热蒸汽等但又需要精准控制温度，压力以及时间周期等。

三、技术方案设计

一套完整的含碳高聚物常压裂解处理系统应该包含如下几个部分【2】

3.1电池等需要前处理的前处理系统如放点系统等

在处理锂电池等含有高聚物的复杂电子产品往往伴随着前处理工艺，作为重要的组成部分，我们将前处理工艺系统作为一个子系统单独处理，以锂电池为例，在回收电池处理工艺中，前处理工艺为将待处理的锂电池先放入放电池,其放电池使用氢氧化钠做导电溶液放电时间至少24小时于此同时，放电池因为会发热,所以系统有一冷却系统将溶液冷却,控制在65度以下.放电完电池进入清水池,将氢氧化钠洗去.必须先破孔,避免裂解时膨胀影响裂解.破孔完将电池放置在电池架上,并放置在台车上.

3.2主反应釜裂解系统

经过前处理工艺的含高聚物的废弃物拟采用使用水分子作为载流子辅以催化剂技术精准温控和压力形成保压裂解炉，其次，炉膛设计为前后开门方式，方便循环冷却系统反馈温度差系数给控制系统

再次，在主反应釜运行时需先将门打开,将上批裂解完台车推到降温系统,并关门即打开前门将已破孔废弃物台车推裂解炉，关门裂解时间预设2小时.注意为提高效率全程为高温操作.

3,3循环降温系统:

因为从裂解炉推出废弃物产物,其温度高达550度,因此有必要设计循环降温系统以保障余热被回收和产物的保护必须先降温降温一般需要1小时左右以保障产物的纯粹性.

3.4分拣拆解系统:

将冷却后产物放入输送带，根据需要分解产物包装形成产品，部分产品例如锂电池将对接后处理工艺线入铜铝熔炉，当铜铝炉完成溶解后

,倒入铸模,分别成铜锭与铝锭，铜锭与铝锭既为成品可包装输出【3】。

3.5物料循环搬运系统:

为了保证生产线的连续运作，本方案设计了物料循环搬运系统，整体系统采用环形设计.从前处理工艺取出后放入机架,便在环形台车系统【5】.

3.6环保保障系统：

为保障系统的稳定运行，避免对环境的二次污染设立此环保处理系统此在放电/裂解/冷却/拆解所产生废气和废水均在此处理并进入内循环保障此工艺环保达标【6】。

图1-1 含高聚物废弃物处理工艺流程图（以三元锂电池为例）

四、实验结果和产物分析

含高聚物的品类众多，前处理工艺略有不同但三元锂电池类较为复杂，本文仅针对此类做实验和做产物分析。

图1-2 塑膜三元锂电池结构 :

如上图 :

1. 铝塑包装膜 :

将电池整个结构包装袋, 材料为铝塑模结构.

2. 正极耳 :

将电池内部N个（N由电池容量决定）正极片焊接供对外放电正接线引板.

3. 负极耳 :

将电池内部N个（N由电池容量决定）负极片焊接供对外放电负接线引板.

4. 绝缘版 :

绝缘正负电极与铝塑包装膜绝缘.

5. 隔离膜 :

隔离正负电极板;但能通过离子的离子膜.

6. 正极板 :

电池正极引电板,材质为99999纯铝,上面有正极材料钴锂锰粉涂层.

7. 负极板 :

电池负极引电板,材质为99999纯铜,上面有负极材料石墨粉涂层.

8. 电解液 :

电解液为LiPF6 (六氟磷酸锂化合物）,用在存储离子用.

其中碳与甲烷容易在遇高温水后形成长碳炼,既黑油,此黑油会被水淋塔拦下并浮在水淋塔污水箱中，裂解后的铜板/铝板/碳/石墨/钴锂镍锰碳黑色混合粉都是要回收,其中钴锂镍锰为高价回收品，被水蒸气带出轻分子会被水淋塔洗下,其洗下后会用木削会活性炭吸附,一定积量后要回到炉内裂解,其中会含有钴/锂/镍/锰/磷/氟元素,这也是商品将会出售.处理中由磷产生磷酸将会被水分子氢离子除酸,最后水为中性，裂解产生甲烷、一氧化碳、油脂将被废气处理设备等离子烧毁。

六、结论

经过初步的测试，本研究设计的工艺基本实现了低温常压下将含高聚物的废弃物进行裂解并保证了整个工艺环保可持续，在一定程度上实现了存量高聚物的碳捕集，未来研究中将进一步测试其他含高聚物的废弃物以及影响工艺的各项参数以及碳捕集方法学研究。

附件 参考文献

【1】李恒，石岩 ，迟铭书等.未来光伏发电技术的发展趋势预测[J]. 太阳能, 2022(1):14-13.

【2】王学江. 无氧碳化处置危险固体废物[J]. 资源再生, 2012(8):1.

【3】闫胜. 连续旋转式垃圾无氧碳化专用炉:, CN210885931U[P]. 2020.

【4】赵莉莉. 一种生活垃圾低温无氧碳化方法及系统:, CN110791302A[P]. 2020.

【5】符国华, 孙峙, 石绍渊,等. 过热蒸汽无氧碳化裂解的上料装置:, 2019.

【6】何昭纯. 一种有机固体危废无氧碳化处理设备:, CN209156698U[P]. 2019.