【摘要】：煤矸石是煤炭開采、洗選和加工過程中產(chǎn)生的一種廢棄物,因具有一定熱值,燃燒發(fā)電成為其重要的利用方式之一,但在運(yùn)行中存在著火困難、燃燒不穩(wěn)定等問題;塑料、橡膠被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、居民生活等領(lǐng)域,其產(chǎn)生的廢棄物若處置不當(dāng)會造成嚴(yán)重的環(huán)境危害,基于塑料、橡膠產(chǎn)生的廢棄物具備熱值高、易著火等特點(diǎn),將煤矸石和塑料、橡膠進(jìn)行混合燃燒可實(shí)現(xiàn)兩者的協(xié)同利用。本文以煤矸石、塑料中的聚丙烯(PP)和聚氯乙烯(PVC)、橡膠中的硫化丁腈橡膠(NBR)為研究對象,分別對這四種物質(zhì)的單一燃燒特性、混合燃燒規(guī)律開展了研究,并分析了氣態(tài)產(chǎn)物的排放規(guī)律和固態(tài)產(chǎn)物的成灰特性,為煤矸石與塑料、橡膠的協(xié)同燃燒提供了理論依據(jù)。主要結(jié)論如下:(1)四種物質(zhì)的單一燃燒特性煤矸石在著火前釋放的熱量最多,著火后放熱緩慢,形成平緩的放熱峰;塑料、橡膠類物質(zhì)揮發(fā)分高,揮發(fā)分析出過程中吸收較多熱量,著火后迅速放出大量熱,形成尖銳的放熱峰。聚丙烯的熱解反應(yīng)滯后于燃燒反應(yīng),熱解與燃燒均無固體殘留物;硫化丁腈橡膠熱解后固態(tài)剩余產(chǎn)物質(zhì)量是燃燒后的5倍;聚氯乙烯熱解和燃燒時第一階段的失重速率均高于第二階段,熱解后的固態(tài)剩余產(chǎn)物約為熱解前質(zhì)量的16%、燃燒則不足3%,HCl均在第一階段釋放完畢。燃燒動力學(xué)分析表明,煤矸石的活化能隨轉(zhuǎn)化率呈“U”型趨勢,反應(yīng)初始階段(轉(zhuǎn)化率0.1)平均活化能為143.2kJ/mol;聚丙烯的活化能隨轉(zhuǎn)化率呈“V”型趨勢,反應(yīng)初始階段的平均活化能為41.1kJ/mol;硫化丁腈橡膠和聚氯乙烯的活化能隨轉(zhuǎn)化率均呈“M”型趨勢,反應(yīng)初始階段的平均活化能分別為96.2kJ/mol和93.4kJ/mol。(2)煤矸石與其他物質(zhì)混合時的燃燒規(guī)律聚丙烯組分與煤矸石組分的燃燒溫度區(qū)間不重疊,分別為339.5-403.2℃和405.6-531.2℃,混燃時熱量先由煤矸石傳遞至聚丙烯,聚丙烯著火后由聚丙烯傳遞給煤矸石,聚丙烯的快速燃燒改善了煤矸石的著火難,對煤矸石的燃燒起到了促進(jìn)作用;聚丙烯占20%時的促進(jìn)作用最明顯,最大耦合系數(shù)為0.0174,分別是50%時的1.67倍、80%時的3.4倍。硫化丁腈橡膠組分的燃盡溫度遠(yuǎn)高于煤矸石組分,混燃初期相互抑制,之后逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橄嗷ゴ龠M(jìn)直至燃盡,硫化丁腈橡膠占比為20%時總體表現(xiàn)為抑制作用,50%和80%時則為促進(jìn)作用,等比例混合時促進(jìn)作用最明顯,最大耦合系數(shù)為0.0265,是80%時的1.36倍。聚氯乙烯組分的著火溫度和燃盡溫度與煤矸石組分相近,隨著聚氯乙烯混合比例從20%增加到80%,第一階段的最大失重速率從4.5%/min快速增大到15.6%/min,第二階段最大失重速率從3.7%/min緩慢增大到4.2%/min。聚氯乙烯占比為20%時混合燃燒的促進(jìn)作用最明顯,最大耦合系數(shù)為0.00318,是50%時的1.11倍,80%時的1.35倍。煤矸石與硫化丁腈橡膠混燃時耦合性最強(qiáng)、與聚氯乙烯的耦合性最弱,熱傳遞是混燃耦合的主要原因。燃燒動力學(xué)結(jié)果表明,混燃能降低煤矸石燃燒初期和燃燒末期的活化能,改善煤矸石單獨(dú)燃燒時著火難和燃盡難,同時對硫化丁腈橡膠、聚氯乙烯燃燒后期活化能的快速升高起到抑制作用,改善了其單獨(dú)燃燒時出現(xiàn)的難燃盡問題,實(shí)現(xiàn)了兩種燃料的優(yōu)勢互補(bǔ)。(3)煤矸石與其他物質(zhì)混合燃燒的氣態(tài)產(chǎn)物排放規(guī)律煤矸石與聚丙烯混燃時,保留了聚丙烯單獨(dú)燃燒時的氣體釋放特性,表現(xiàn)為陡立下行鋒面;聚丙烯混合比例超過50%時,對SO_2的釋放表現(xiàn)為先抑制后促進(jìn),在400℃形成快速型NO_x峰值。聚丙烯比例為20%時,對SO_2、NO_x釋放沒有明顯作用。煤矸石與硫化丁腈橡膠混燃時,SO_2的釋放向低溫區(qū)偏移,隨著硫化丁腈橡膠比例的降低,NO_x雙釋放峰轉(zhuǎn)變?yōu)閱吾尫欧濉Ｃ喉肥c聚氯乙烯混燃時,HCl氣體的釋放主要發(fā)生在第一個失重峰階段;提高升溫速率,釋放起始點(diǎn)及峰值溫度向高溫區(qū)偏移,釋放時長縮短;Ca(OH)_2對混燃時的固氯效果優(yōu)于CaO;程序升溫產(chǎn)生的二VA英總量及毒性均高于定溫燃燒。(4)煤矸石與其他物質(zhì)混合燃燒的成灰規(guī)律當(dāng)溫度升高至400℃,燃燒固態(tài)產(chǎn)物中僅能觀察到煤矸石組分的特征吸收峰;聚丙烯、硫化丁腈橡膠、聚氯乙烯的加入不會對煤矸石燃燒后固態(tài)產(chǎn)物的礦物組成和晶體結(jié)構(gòu)等產(chǎn)生影響,可以參照煤矸石燃燒的固態(tài)產(chǎn)物進(jìn)行處理。
【學(xué)位授予單位】：太原理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TD849.5;TQ038
【圖文】：

太原理工大學(xué)博士研究生學(xué)位論文系統(tǒng)是由法國塞塔拉姆儀器（SETARAM Instrumentation）生產(chǎn)的 TG-DTG/DSC 熱重分析儀和德國普發(fā)公司（Pfeiffer Vacuum）生產(chǎn)的 Omnistar/Thermostar 在線氣體分析質(zhì)譜儀組成，熱重分析儀產(chǎn)生的尾氣，進(jìn)入質(zhì)譜儀進(jìn)行同步分析，確保了二者對比分析時數(shù)據(jù)的相關(guān)性。為了保證氣體不凝結(jié)，兩臺設(shè)備間管道用電阻絲加熱。

如圖2-2（a）和（b）所示，該系統(tǒng)由管式爐、供氣設(shè)備和尾氣檢測及處理設(shè)備組成。管式爐通過溫度控制器來調(diào)節(jié)硅加熱棒產(chǎn)生的熱量，以滿足實(shí)驗(yàn)方案中對溫度的要求，反應(yīng)器為直徑 50mm、長度 650mm 的石英管，實(shí)驗(yàn)樣品稱量后置于石英舟內(nèi)，共同放入到反應(yīng)器中段，兩側(cè)通過法蘭與進(jìn)出氣連接以確保系統(tǒng)的密封性。實(shí)驗(yàn)前，先對管式爐的石英管反應(yīng)器進(jìn)行了恒溫段標(biāo)定，結(jié)果如圖 2-2（c）所示，在 500-1000℃的標(biāo)定中，石英管反應(yīng)器約有 200mm 的長度保持恒溫。實(shí)驗(yàn)時，氣瓶中的氣體經(jīng)過質(zhì)量流量計(jì)進(jìn)行精確配比后進(jìn)入混氣罐，充分混合后形成實(shí)驗(yàn)氣氛通入到管式爐中，燃燒生成的煙氣經(jīng)過過濾裝置去除焦油，經(jīng)冷卻后進(jìn)入氯化氫氣體檢測儀中對 HCl 濃度進(jìn)行檢測，最終的尾氣經(jīng)氫氧化鈉溶液吸收處理，無害化后排入大氣。實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的二VA英經(jīng)冷卻后通過 XAD-2 樹脂進(jìn)行吸附，外送專業(yè)機(jī)構(gòu)檢測。

圖 2-3 紅外光譜儀Fig.2-3 Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR)射分析儀射分析是利用 X 射線在晶體物質(zhì)中的衍射效應(yīng)進(jìn)行物質(zhì)結(jié)質(zhì)，都有其特定的晶體結(jié)構(gòu)，包括點(diǎn)陣類型、晶面間距等參線照射試樣，試樣中的物質(zhì)受到激發(fā)，會產(chǎn)生二次熒光 X測定衍射角位置（峰位）可以進(jìn)行化合物的定性分析，測定可以進(jìn)行定量分析，而測定譜線強(qiáng)度隨角度的變化關(guān)系可進(jìn)。本文對燃燒固態(tài)產(chǎn)物的 X 射線衍射（XRD）分析選用如圖）D2 PHASER X 型射線衍射儀來進(jìn)行。

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