基于微波脱氯半焦的塑料包装废弃物能源化研究

发布时间：2020-03-31 05:15

【摘要】：本文针对混合塑料包装废弃物难处理,特别是含氯塑料包装废弃物的氯元素污染严重影响热处理过程的问题,提出了一种塑料包装废弃物能源化利用技术。先对含氯塑料包装废弃物进行微波低温脱氯预处理,得到脱氯半焦,再将脱氯半焦作为添加剂,与其他可燃包装废弃物混合制备固体衍生燃料(SRF),使其以燃料的方式实现能源回收。本文开展的主要研究内容及结果如下:1)考察了含氯塑料包装废弃物获得最佳脱氯效果的最优微波运行参数:微波功率800 w,脱氯终温280℃,添加碳化硅(SiC)作为微波吸收剂,最佳添加量20 g。微波低温脱氯发现:随着微波功率的增加,聚氯乙烯(PVC)、氯化聚乙烯(CPE)和聚偏二氯乙烯(PVDC)升温速率加快,达到目标温度时间提前,但脱氯率呈降低趋势,有效HCl产率变化幅度较小;随着脱氯终温的升高,3种物料的脱氯率呈显著上升趋势;碳化硅(SiC)促进物料升温和脱氯效应显著优于活性炭;随SiC添加量的增加,物料的脱氯率显著增加;脱氯半焦热值为30.43 MJ/kg,具有较好的孔隙特征。2)利用COSMOL Multiphysics软件对PVC微波脱氯过程的温度分布进行电磁-热传导双向耦合模拟,发现物料中心温度显著高于周边温度;物料中心温度梯度较周边大,周边物料仍出现“冷点”现象;中心物料模拟值与实验值结果符合较好。模拟结果基本上能揭示PVC微波脱氯过程中的温度分布情况及物料的传热传质规律。3)对微波低温脱氯机理进行初探:脱氯机理主要包括物料介电性能及外加电场产生的热效应;微波对C-Cl极性基团的选择性加热特性促进HCl自催化链式反应的发生及微波吸收剂的“热点”效应;氯离子脱除后产生的空位与相邻阳离子(H~+)形成新的偶极子的电子空位效应。4)微波加热和电加热条件下脱氯效果进行对比发现:两者脱氯率差别不大,均从40%增加至90%。但微波加热物料有效HCl产率显著更高。微波脱氯半焦C、H元素含量更高,Cl、O元素含量更低;微波脱氯产生的副产物种类更少;微波脱氯过程不存在非热效应。5)采用热重-红外联用(TG-FTIR)技术对添加不同比例脱氯半焦制备的SRF在不同升温速率下的热解特性及动力学进行分析,发现脱氯半焦的添加有利于SRF热解反应的进行。不同升温速率下,4种燃料均存在两个主要失重温度区间,300~400℃和400~500℃。升温速率为10℃·min~(-1)时,第二失重阶段,添加脱氯半焦的SRF燃料热解反应活性下降;第三失重阶段,随脱氯半焦添加比例的增加,SRF热解反应活性增强;SRF第二、三、四阶段最大失重峰处析出的气体组分主要分别为:烷烃类化合物、酯类、CO_2、氯代烃;烷烃类化合物和CO_2;CO_2和氯代烃;第三阶段失重峰处不产生氯代烃;脱氯半焦的加入可促进燃料热解产生CO_2和CH_4。升温速率为20℃·min~(-1)时,脱氯半焦的添加量达到20 wt%,才对SRF的热解失重特性有显著影响;分布活化能法(DAEM)发现,转化率α0.3时,SRF-1反应活化能低于其他3种燃料,0.3α0.9时,活化能显著高于其他3种燃料。6)采用TG-FTIR分析方法对添加不同比例脱氯半焦制备的SRF的燃烧性能及动力学进行研究发现:升温速率10℃·min~(-1)时,燃料存在4个失重阶段。第二失重阶段,随脱氯半焦添加比例的增加,最大失重速率增加;升温速率20℃·min~(-1)时,脱氯半焦对燃料燃烧失重率的影响不明显,但脱氯半焦的加入提高了燃料的反应活性。两种加热速率下,脱氯半焦的加入使SRF的着火点降低,燃尽温度降低,燃尽性能提高。可燃系数,稳燃系数和综合燃烧特性指数S均更高,表明脱氯半焦的加入有利于燃料的燃烧,且最佳添加比例为10 wt%。Coats-Redfern积分法得到第二、第三失重阶段分别遵循二级和一级反应动力学规律。DAEM法得到,总体上添加脱氯半焦的SRF燃料反应活化能显著更低。第二、三、四失重阶段,燃烧气体产物主要分别为CO_2、烷基、羰基化合物、含C-Cl的有机化合物、CH_4、CO_2和有机氯化物,CO_2和氯化物。实验结果表明脱氯半焦的添加可能能促进碳氢化合物燃烧产生CO_2和H_2O。本文的研究成果将为微波处理类似固体废弃物的工业设计和系统优化提供理论参考。同时为该种SRF热处理设备的设计和运行提供参数参考。
【图文】：

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对应频率 1~300 GHz，如图1-3 所示。由于微波辐射的频率范围处于无线电波和可见光之间，能应用电磁波和电磁场理论处理与微波相关的一些问题，特别是微波在空间的传播及其与物质的相互作用等。大部分微波商业操作频率为 915 MHz 和 2 450 MHz。图 1-3 电磁光谱图Fig.1-3 Electromagnetic spectrogram.通常，微波能够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、橡胶和食品等介质材料吸收而产生热[96]。而金属类材料，则会反射微波。因此，通常根据材料对微波产生的反射、吸收或者投射现象，将材料分为四类[97,98]，即微波反射体、绝热体、微波吸收体和铁氧体，其微波特性如表1-5。

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博士学位论文一种间歇式微波高温气氛实验炉（长沙隆泰微波热工有限公司，专利号N201120425370.1）。图 2-1 为小型微波脱氯实验装置的实物照片。微波发生系、微波控制系统、谐振腔及温度测定系统是微波脱氯实验装置的重要组成部。微波源包括微波发生系统和微波控制系统。变压器、磁控管和波导管等组了微波发生系统，磁控管（NRX-1001，2.45 GHz，，500 w）可产生 0~3 kW 连可调的微波功率。微波功率、加热时间和温度等参数均通过微波控制系统进设定。由磁控管产生的微波通常经由波导管进入微波谐振腔。通常，在微波和微波谐振腔中间装环形器，由循环水吸收反射波，目的是为了防止微波反损害磁控管。热电偶和温度显示屏则构成了温度测定系统。本实验采用热电（K 型铠装）进行测温，测定温度范围 0~1 300 ℃，分辨率为 1 ℃。
【学位授予单位】：湖南工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ517;X705

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