煤矸石与典型塑料、橡胶的混合燃烧特性研究

发布时间：2020-07-28 12:02

【摘要】：煤矸石是煤炭开采、洗选和加工过程中产生的一种废弃物,因具有一定热值,燃烧发电成为其重要的利用方式之一,但在运行中存在着火困难、燃烧不稳定等问题;塑料、橡胶被广泛应用于工业生产、居民生活等领域,其产生的废弃物若处置不当会造成严重的环境危害,基于塑料、橡胶产生的废弃物具备热值高、易着火等特点,将煤矸石和塑料、橡胶进行混合燃烧可实现两者的协同利用。本文以煤矸石、塑料中的聚丙烯(PP)和聚氯乙烯(PVC)、橡胶中的硫化丁腈橡胶(NBR)为研究对象,分别对这四种物质的单一燃烧特性、混合燃烧规律开展了研究,并分析了气态产物的排放规律和固态产物的成灰特性,为煤矸石与塑料、橡胶的协同燃烧提供了理论依据。主要结论如下:(1)四种物质的单一燃烧特性煤矸石在着火前释放的热量最多,着火后放热缓慢,形成平缓的放热峰;塑料、橡胶类物质挥发分高,挥发分析出过程中吸收较多热量,着火后迅速放出大量热,形成尖锐的放热峰。聚丙烯的热解反应滞后于燃烧反应,热解与燃烧均无固体残留物;硫化丁腈橡胶热解后固态剩余产物质量是燃烧后的5倍;聚氯乙烯热解和燃烧时第一阶段的失重速率均高于第二阶段,热解后的固态剩余产物约为热解前质量的16%、燃烧则不足3%,HCl均在第一阶段释放完毕。燃烧动力学分析表明,煤矸石的活化能随转化率呈“U”型趋势,反应初始阶段(转化率0.1)平均活化能为143.2kJ/mol;聚丙烯的活化能随转化率呈“V”型趋势,反应初始阶段的平均活化能为41.1kJ/mol;硫化丁腈橡胶和聚氯乙烯的活化能随转化率均呈“M”型趋势,反应初始阶段的平均活化能分别为96.2kJ/mol和93.4kJ/mol。(2)煤矸石与其他物质混合时的燃烧规律聚丙烯组分与煤矸石组分的燃烧温度区间不重叠,分别为339.5-403.2℃和405.6-531.2℃,混燃时热量先由煤矸石传递至聚丙烯,聚丙烯着火后由聚丙烯传递给煤矸石,聚丙烯的快速燃烧改善了煤矸石的着火难,对煤矸石的燃烧起到了促进作用;聚丙烯占20%时的促进作用最明显,最大耦合系数为0.0174,分别是50%时的1.67倍、80%时的3.4倍。硫化丁腈橡胶组分的燃尽温度远高于煤矸石组分,混燃初期相互抑制,之后逐渐转变为相互促进直至燃尽,硫化丁腈橡胶占比为20%时总体表现为抑制作用,50%和80%时则为促进作用,等比例混合时促进作用最明显,最大耦合系数为0.0265,是80%时的1.36倍。聚氯乙烯组分的着火温度和燃尽温度与煤矸石组分相近,随着聚氯乙烯混合比例从20%增加到80%,第一阶段的最大失重速率从4.5%/min快速增大到15.6%/min,第二阶段最大失重速率从3.7%/min缓慢增大到4.2%/min。聚氯乙烯占比为20%时混合燃烧的促进作用最明显,最大耦合系数为0.00318,是50%时的1.11倍,80%时的1.35倍。煤矸石与硫化丁腈橡胶混燃时耦合性最强、与聚氯乙烯的耦合性最弱,热传递是混燃耦合的主要原因。燃烧动力学结果表明,混燃能降低煤矸石燃烧初期和燃烧末期的活化能,改善煤矸石单独燃烧时着火难和燃尽难,同时对硫化丁腈橡胶、聚氯乙烯燃烧后期活化能的快速升高起到抑制作用,改善了其单独燃烧时出现的难燃尽问题,实现了两种燃料的优势互补。(3)煤矸石与其他物质混合燃烧的气态产物排放规律煤矸石与聚丙烯混燃时,保留了聚丙烯单独燃烧时的气体释放特性,表现为陡立下行锋面;聚丙烯混合比例超过50%时,对SO_2的释放表现为先抑制后促进,在400℃形成快速型NO_x峰值。聚丙烯比例为20%时,对SO_2、NO_x释放没有明显作用。煤矸石与硫化丁腈橡胶混燃时,SO_2的释放向低温区偏移,随着硫化丁腈橡胶比例的降低,NO_x双释放峰转变为单释放峰。煤矸石与聚氯乙烯混燃时,HCl气体的释放主要发生在第一个失重峰阶段;提高升温速率,释放起始点及峰值温度向高温区偏移,释放时长缩短;Ca(OH)_2对混燃时的固氯效果优于CaO;程序升温产生的二VA英总量及毒性均高于定温燃烧。(4)煤矸石与其他物质混合燃烧的成灰规律当温度升高至400℃,燃烧固态产物中仅能观察到煤矸石组分的特征吸收峰;聚丙烯、硫化丁腈橡胶、聚氯乙烯的加入不会对煤矸石燃烧后固态产物的矿物组成和晶体结构等产生影响,可以参照煤矸石燃烧的固态产物进行处理。
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TD849.5;TQ038
【图文】：

联用系统

太原理工大学博士研究生学位论文系统是由法国塞塔拉姆仪器（SETARAM Instrumentation）生产的 TG-DTG/DSC 热重分析仪和德国普发公司（Pfeiffer Vacuum）生产的 Omnistar/Thermostar 在线气体分析质谱仪组成，热重分析仪产生的尾气，进入质谱仪进行同步分析，确保了二者对比分析时数据的相关性。为了保证气体不凝结，两台设备间管道用电阻丝加热。

固定床燃烧

如图2-2（a）和（b）所示，该系统由管式炉、供气设备和尾气检测及处理设备组成。管式炉通过温度控制器来调节硅加热棒产生的热量，以满足实验方案中对温度的要求，反应器为直径 50mm、长度 650mm 的石英管，实验样品称量后置于石英舟内，共同放入到反应器中段，两侧通过法兰与进出气连接以确保系统的密封性。实验前，先对管式炉的石英管反应器进行了恒温段标定，结果如图 2-2（c）所示，在 500-1000℃的标定中，石英管反应器约有 200mm 的长度保持恒温。实验时，气瓶中的气体经过质量流量计进行精确配比后进入混气罐，充分混合后形成实验气氛通入到管式炉中，燃烧生成的烟气经过过滤装置去除焦油，经冷却后进入氯化氢气体检测仪中对 HCl 浓度进行检测，最终的尾气经氢氧化钠溶液吸收处理，无害化后排入大气。实验产生的二VA英经冷却后通过 XAD-2 树脂进行吸附，外送专业机构检测。

红外光谱仪

图 2-3 红外光谱仪Fig.2-3 Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR)射分析仪射分析是利用 X 射线在晶体物质中的衍射效应进行物质结质，都有其特定的晶体结构，包括点阵类型、晶面间距等参线照射试样，试样中的物质受到激发，会产生二次荧光 X测定衍射角位置（峰位）可以进行化合物的定性分析，测定可以进行定量分析，而测定谱线强度随角度的变化关系可进。本文对燃烧固态产物的 X 射线衍射（XRD）分析选用如图）D2 PHASER X 型射线衍射仪来进行。

【相似文献】