發(fā)布時間：2020-03-31 05:15

【摘要】：本文針對混合塑料包裝廢棄物難處理,特別是含氯塑料包裝廢棄物的氯元素污染嚴重影響熱處理過程的問題,提出了一種塑料包裝廢棄物能源化利用技術。先對含氯塑料包裝廢棄物進行微波低溫脫氯預處理,得到脫氯半焦,再將脫氯半焦作為添加劑,與其他可燃包裝廢棄物混合制備固體衍生燃料(SRF),使其以燃料的方式實現(xiàn)能源回收。本文開展的主要研究內容及結果如下:1)考察了含氯塑料包裝廢棄物獲得最佳脫氯效果的最優(yōu)微波運行參數(shù):微波功率800 w,脫氯終溫280℃,添加碳化硅(SiC)作為微波吸收劑,最佳添加量20 g。微波低溫脫氯發(fā)現(xiàn):隨著微波功率的增加,聚氯乙烯(PVC)、氯化聚乙烯(CPE)和聚偏二氯乙烯(PVDC)升溫速率加快,達到目標溫度時間提前,但脫氯率呈降低趨勢,有效HCl產率變化幅度較小;隨著脫氯終溫的升高,3種物料的脫氯率呈顯著上升趨勢;碳化硅(SiC)促進物料升溫和脫氯效應顯著優(yōu)于活性炭;隨SiC添加量的增加,物料的脫氯率顯著增加;脫氯半焦熱值為30.43 MJ/kg,具有較好的孔隙特征。2)利用COSMOL Multiphysics軟件對PVC微波脫氯過程的溫度分布進行電磁-熱傳導雙向耦合模擬,發(fā)現(xiàn)物料中心溫度顯著高于周邊溫度;物料中心溫度梯度較周邊大,周邊物料仍出現(xiàn)“冷點”現(xiàn)象;中心物料模擬值與實驗值結果符合較好。模擬結果基本上能揭示PVC微波脫氯過程中的溫度分布情況及物料的傳熱傳質規(guī)律。3)對微波低溫脫氯機理進行初探:脫氯機理主要包括物料介電性能及外加電場產生的熱效應;微波對C-Cl極性基團的選擇性加熱特性促進HCl自催化鏈式反應的發(fā)生及微波吸收劑的“熱點”效應;氯離子脫除后產生的空位與相鄰陽離子(H~+)形成新的偶極子的電子空位效應。4)微波加熱和電加熱條件下脫氯效果進行對比發(fā)現(xiàn):兩者脫氯率差別不大,均從40%增加至90%。但微波加熱物料有效HCl產率顯著更高。微波脫氯半焦C、H元素含量更高,Cl、O元素含量更低;微波脫氯產生的副產物種類更少;微波脫氯過程不存在非熱效應。5)采用熱重-紅外聯(lián)用(TG-FTIR)技術對添加不同比例脫氯半焦制備的SRF在不同升溫速率下的熱解特性及動力學進行分析,發(fā)現(xiàn)脫氯半焦的添加有利于SRF熱解反應的進行。不同升溫速率下,4種燃料均存在兩個主要失重溫度區(qū)間,300~400℃和400~500℃。升溫速率為10℃·min~(-1)時,第二失重階段,添加脫氯半焦的SRF燃料熱解反應活性下降;第三失重階段,隨脫氯半焦添加比例的增加,SRF熱解反應活性增強;SRF第二、三、四階段最大失重峰處析出的氣體組分主要分別為:烷烴類化合物、酯類、CO_2、氯代烴;烷烴類化合物和CO_2;CO_2和氯代烴;第三階段失重峰處不產生氯代烴;脫氯半焦的加入可促進燃料熱解產生CO_2和CH_4。升溫速率為20℃·min~(-1)時,脫氯半焦的添加量達到20 wt%,才對SRF的熱解失重特性有顯著影響;分布活化能法(DAEM)發(fā)現(xiàn),轉化率α0.3時,SRF-1反應活化能低于其他3種燃料,0.3α0.9時,活化能顯著高于其他3種燃料。6)采用TG-FTIR分析方法對添加不同比例脫氯半焦制備的SRF的燃燒性能及動力學進行研究發(fā)現(xiàn):升溫速率10℃·min~(-1)時,燃料存在4個失重階段。第二失重階段,隨脫氯半焦添加比例的增加,最大失重速率增加;升溫速率20℃·min~(-1)時,脫氯半焦對燃料燃燒失重率的影響不明顯,但脫氯半焦的加入提高了燃料的反應活性。兩種加熱速率下,脫氯半焦的加入使SRF的著火點降低,燃盡溫度降低,燃盡性能提高。可燃系數(shù),穩(wěn)燃系數(shù)和綜合燃燒特性指數(shù)S均更高,表明脫氯半焦的加入有利于燃料的燃燒,且最佳添加比例為10 wt%。Coats-Redfern積分法得到第二、第三失重階段分別遵循二級和一級反應動力學規(guī)律。DAEM法得到,總體上添加脫氯半焦的SRF燃料反應活化能顯著更低。第二、三、四失重階段,燃燒氣體產物主要分別為CO_2、烷基、羰基化合物、含C-Cl的有機化合物、CH_4、CO_2和有機氯化物,CO_2和氯化物。實驗結果表明脫氯半焦的添加可能能促進碳氫化合物燃燒產生CO_2和H_2O。本文的研究成果將為微波處理類似固體廢棄物的工業(yè)設計和系統(tǒng)優(yōu)化提供理論參考。同時為該種SRF熱處理設備的設計和運行提供參數(shù)參考。
【圖文】：

對應頻率 1~300 GHz，如圖1-3 所示。由于微波輻射的頻率范圍處于無線電波和可見光之間，能應用電磁波和電磁場理論處理與微波相關的一些問題，特別是微波在空間的傳播及其與物質的相互作用等。大部分微波商業(yè)操作頻率為 915 MHz 和 2 450 MHz。圖 1-3 電磁光譜圖Fig.1-3 Electromagnetic spectrogram.通常，微波能夠十分方便地穿透玻璃、陶瓷、聚四氟乙烯等材料。微波也可被水、碳、橡膠和食品等介質材料吸收而產生熱[96]。而金屬類材料，則會反射微波。因此，通常根據材料對微波產生的反射、吸收或者投射現(xiàn)象，將材料分為四類[97,98]，即微波反射體、絕熱體、微波吸收體和鐵氧體，其微波特性如表1-5。

博士學位論文一種間歇式微波高溫氣氛實驗爐（長沙隆泰微波熱工有限公司，專利號N201120425370.1）。圖 2-1 為小型微波脫氯實驗裝置的實物照片。微波發(fā)生系、微波控制系統(tǒng)、諧振腔及溫度測定系統(tǒng)是微波脫氯實驗裝置的重要組成部。微波源包括微波發(fā)生系統(tǒng)和微波控制系統(tǒng)。變壓器、磁控管和波導管等組了微波發(fā)生系統(tǒng)，磁控管（NRX-1001，2.45 GHz，，500 w）可產生 0~3 kW 連可調的微波功率。微波功率、加熱時間和溫度等參數(shù)均通過微波控制系統(tǒng)進設定。由磁控管產生的微波通常經由波導管進入微波諧振腔。通常，在微波和微波諧振腔中間裝環(huán)形器，由循環(huán)水吸收反射波，目的是為了防止微波反損害磁控管。熱電偶和溫度顯示屏則構成了溫度測定系統(tǒng)。本實驗采用熱電（K 型鎧裝）進行測溫，測定溫度范圍 0~1 300 ℃，分辨率為 1 ℃。
【學位授予單位】：湖南工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TQ517;X705

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本文編號：2608619