固体废物热解制取洁净燃料和化学原料的基础研究

发布时间：2020-07-17 23:39

【摘要】： 依托于国家自然科学基金项目(No.50076037)，本文开展了固体废物回转式热解制取洁净燃料(气、油和炭)和化学原料(芳香油、活性炭或炭黑)的基础研究。内容主要包括三部分：回转窑内固体传输和传热过程特征的研究；微型规模(TGA)和小型实验室规模固体废物热解的机理和基础研究；基于废轮胎为目标的连续性中试规模回转窑热解工艺初步试验评估和热解产物的应用前景研究。 (1)反应器传输和传热特征研究：首先，采用DPIV技术定性地分析了回转窑滚落运动模式(Rolling Regime)的机理特征；并在该模式下开展了混合固体废物(MSW)在回转窑内输运和扩散过程试验研究，详细探讨了物料性质、操作条件(转速和倾角)、结构条件(挡板和内构件)等因素对物料停留时间(MRT)和体积流率(MVF)的影响；在Saeman和Gupta单颗粒轨道模型(PTM)基础上，采用了矢量分析方法重新求解了单历程内颗粒运动的轨迹方程，进而结合颗粒分离特征参数σ_(?)发展了随机颗粒轨道模型，并对MSW在窑内停留时间分布实现了数值计算，模型计算值和试验结果取得了良好一致；在低料床填充率假没条件下，从颗粒轨道模型中导出了MRT和MVF的简化计算公式，该公式完全优于现有的传统计算公式，从而构成了回转窑热解炉或焚烧炉优化设计或放大的基础。 其次，在国际研究综述的基础上分析了回转窑内传热途径或机理特征，着重考虑了筒体回转对各项传热系数的影响，尤其是创见性地将流化床和固定床中广泛存在“热渗透”模型加以发展，巧妙解决了窑内转动壁面和覆盖料床之间传热系数的计算；建立了内热式回转窑轴向一维传热模型，并采用该模型对卑诗大学Barr et al.试验数据进行了仿真，无论是窑内温度场还是热量场，试验值和仿真值均取得了十分理想的吻合，随后将轴向传热模型扩展到了外热式，并应用其对I.D.0.3×1.8m外热式热解炉进行了传热校核。 传输和传热特征研究表明：回转窑是一个慢加热速率的反应装置，但具有广泛进料适应性、良好物料混合特性以及灵活物料输运特性等诸多优点。因此，回转窑作为热解反应器比较适用于两种情况：对加热速率依赖性较低的废轮胎的热解；以生物质为基体的各种粒径和形态混合废物的热解。 (2)微型和小型规模热解机理研究：以废轮胎为主要目标(生物质混合废物作为比较)，从微型热天平和小型实验室规模角度系统地研究了其热解机理。首先，TG-DTG特性表明，与煤和生物质等进化燃料不同，废轮胎热解实质上是250℃～520℃之间各具体化学配方成分(NR、BR、SBR和添加油)独立热解的线性叠加，而且热解反应对加热速率依赖性不大；进而在国外一些学者平行研究基础上提出了多胶体模型(Multi-Elastomer-Model)，成功地实现了废轮胎热解反应动力学的模拟。其后，在1kg小型批量热解炉上全面研究了废轮胎热解的气体、液体和固体产物的平衡、成分和性质，不仅探讨了温度和转速等参数的影响、完善了热解产物的分析方法，而且结合试验研究首创性地提出了热解过程的“3R(初热解反应、挥发相二次反应以及炭气化反应)+2T(温度和气相停留时间)”准则。该准则不仅能够成 摘要(^bs traet) 功地解释废轮胎热解过程中各种现象，而且也为回转窑热解工艺的优化设计和中试研究提 供了坚实的基础。 (3)中试热解系统的初步试验评估研究二以回转窑为基础炉型成功地完成了20kglh中 试规模废轮胎热解的工艺发展装置(POU)设计，并在450℃一650℃内范围内开展了该户OU 工艺的初步评估试验。热解目标产物是固体炭和液体油，前者收率约为38.8·43.9%，而 后者则为42.7、45.1%，热解产物平衡可由“3R+2T’’准则合理解释。热解油具有粘度低 (1 .6一3.7cs)、热值高(4O一42 MJlkg)的优点，可直接或掺混作为重质燃料油使用;此外， 通过对热解高温热解油蒸汽合理切割成不同馏份使用，既可以从中提取出高价值的粗苯、 兰烯和道路沥青等化学原料，又能够将提取后的剩余物作为燃料使用。尽管和商业炭黑相 比，热解炭中灰分高达，2训5%，但在一些基本指标如日E丁面积、OSp吸油值和吸碘值 方面热解炭指标并未发生太大变化，因此适当炭化、酸洗后的热解炭可以用作中等补强作 用低品质炭黑使用;孔隙分布研究表明，热解炭主要由中孔或大孔组成，微孔结构没有商 业活性炭发达，活化后热解炭随着烧失率的提高BE丁面积也可提高到3oomZlg，比之原始 炭提高了约200%，因而对苯酚和碘的吸附性能也有较大提高，尤其是亚甲基兰的吸附性 能已基本接近商业活性炭，因此适度活化后热解炭可以考虑作为废水或烟气处理中一些大 分子污染物(如重金属或二恶英)的吸附剂。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2002
【分类号】：X705
【图文】：

第二章回转窑内固体废物输运和扩散的试验和模型图2.13所示是回转窑倾角对MSW运动特性的影响。随着倾角从0.620提高到2.400，由11.28min降低到5.58min，而物料体积流率则从2.181/min升高到3.731/min。原:倾角的增加使料床表面层内沿物料滚落方向的倾斜度增加，从而增大了料床表面料的前进方向的重力分力，所以物料的轴向运动速度加大，物料的平均截面速度加，减少而MVF增大。4出口挡板的影响1.1’住10.5‘20

.2.6壁面粗糙度对停留时间的影响图2.18一2.19还列出了不同壁面粗糙度下MSw的停留时间和体积流率的比较。壁面粗糙度对MRT的影响主要源自料床床态的改变。当内壁光滑即f较小(0.48)时，MSw在回转窑内床态为滑移(sliping)，物料将作为一个整体向前运动，此时平均截面速度较高，MRT也就较小;当窑壁敷设细砂布即f提高到1.00时，料床由滑移(sliPing)向塌落(slumping)或滚落(rolling)床态转变，新床态下的物料平均截面速度较低，因而MRT增加到1.41倍、MVF减少到0.81倍;当窑壁敷设粗砂布时，f的进一步提高(l.25)不再构成床态明显的变化，则其MRT的变化也较小，为光壁下的1.47倍

内构件形式图2.18内构件对停留时间的影响(Msw)内构件形式图219内构件对停留时间的影响〔石英砂)2.6壁面粗糙度对停留时间的影响图2.18一2.19还列出了不同壁面粗糙度下MSw的停留时间和体积流率的比较。壁面粗度对MRT的影响主要源自料床床态的改变。当内壁光滑即f较小(0.48)时，MSw在回转内床态为滑移(sliping)，物料将作为一个整体向前运动，此时平均截面速度较高，MRT就较小;当窑壁敷设细砂布即f提高到1.00时，料床由滑移(sliPing)向塌落(slumping)或落(rolling)床态转变，新床态下的物料平均截面速度较低，因而MRT增加到1.41倍、VF减少到0.81倍;当窑壁敷设粗砂布时，f的进一步提高(l.25)不再构成床态明显的变，则其MRT的变化也较小，为光壁下的1.47倍，同时MVF为原来的0.76倍。一.一光滑窑壁一母一绷砂布璧面-今~粗砂布璧面灰J口﨑4口曰，J1..‘压谧衣11仁u一巨/l\端哥

本文编号：2760083