基于微波脱氯半焦的塑料包装废弃物能源化研究

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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,300400℃和400500℃。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、CO2、氯代烃;烷烃类化合物和CO2;CO2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CO2和CH4。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α<0.3时,SRF-1反应活化能低于其他3种燃料,0.3<α<0.9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CO2、烷基、羰基化合物、含C-Cl的有机化合物、CH4、CO2和有机氯化物,CO2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CO2和H2O。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。
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