一种等离子体协同催化热解回收塑料的三段式反应系统

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。

>> 技术背景

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。

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-derivedvapors to bio-fuels via modified HZSM-5coupled with DBD:Effects of differenttitanium 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

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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。

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。

与现有技术相比，本发明至少具有如下有益效果：

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：

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。

2.本发明支持多种放电模式产生等离子体。

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。

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。

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。

封面来源：图虫创意