【摘要】：本文針對混合塑料包裝廢棄物難處理,特別是含氯塑料包裝廢棄物的氯元素污染嚴(yán)重影響熱處理過程的問題,提出了一種塑料包裝廢棄物能源化利用技術(shù)。先對含氯塑料包裝廢棄物進(jìn)行微波低溫脫氯預(yù)處理,得到脫氯半焦,再將脫氯半焦作為添加劑,與其他可燃包裝廢棄物混合制備固體衍生燃料(SRF),使其以燃料的方式實(shí)現(xiàn)能源回收。本文開展的主要研究內(nèi)容及結(jié)果如下:1)考察了含氯塑料包裝廢棄物獲得最佳脫氯效果的最優(yōu)微波運(yùn)行參數(shù):微波功率800 w,脫氯終溫280℃,添加碳化硅(SiC)作為微波吸收劑,最佳添加量20 g。微波低溫脫氯發(fā)現(xiàn):隨著微波功率的增加,聚氯乙烯(PVC)、氯化聚乙烯(CPE)和聚偏二氯乙烯(PVDC)升溫速率加快,達(dá)到目標(biāo)溫度時(shí)間提前,但脫氯率呈降低趨勢,有效HCl產(chǎn)率變化幅度較小;隨著脫氯終溫的升高,3種物料的脫氯率呈顯著上升趨勢;碳化硅(SiC)促進(jìn)物料升溫和脫氯效應(yīng)顯著優(yōu)于活性炭;隨SiC添加量的增加,物料的脫氯率顯著增加;脫氯半焦熱值為30.43 MJ/kg,具有較好的孔隙特征。2)利用COSMOL Multiphysics軟件對PVC微波脫氯過程的溫度分布進(jìn)行電磁-熱傳導(dǎo)雙向耦合模擬,發(fā)現(xiàn)物料中心溫度顯著高于周邊溫度;物料中心溫度梯度較周邊大,周邊物料仍出現(xiàn)“冷點(diǎn)”現(xiàn)象;中心物料模擬值與實(shí)驗(yàn)值結(jié)果符合較好。模擬結(jié)果基本上能揭示PVC微波脫氯過程中的溫度分布情況及物料的傳熱傳質(zhì)規(guī)律。3)對微波低溫脫氯機(jī)理進(jìn)行初探:脫氯機(jī)理主要包括物料介電性能及外加電場產(chǎn)生的熱效應(yīng);微波對C-Cl極性基團(tuán)的選擇性加熱特性促進(jìn)HCl自催化鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的發(fā)生及微波吸收劑的“熱點(diǎn)”效應(yīng);氯離子脫除后產(chǎn)生的空位與相鄰陽離子(H~+)形成新的偶極子的電子空位效應(yīng)。4)微波加熱和電加熱條件下脫氯效果進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn):兩者脫氯率差別不大,均從40%增加至90%。但微波加熱物料有效HCl產(chǎn)率顯著更高。微波脫氯半焦C、H元素含量更高,Cl、O元素含量更低;微波脫氯產(chǎn)生的副產(chǎn)物種類更少;微波脫氯過程不存在非熱效應(yīng)。5)采用熱重-紅外聯(lián)用(TG-FTIR)技術(shù)對添加不同比例脫氯半焦制備的SRF在不同升溫速率下的熱解特性及動(dòng)力學(xué)進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)脫氯半焦的添加有利于SRF熱解反應(yīng)的進(jìn)行。不同升溫速率下,4種燃料均存在兩個(gè)主要失重溫度區(qū)間,300~400℃和400~500℃。升溫速率為10℃·min~(-1)時(shí),第二失重階段,添加脫氯半焦的SRF燃料熱解反應(yīng)活性下降;第三失重階段,隨脫氯半焦添加比例的增加,SRF熱解反應(yīng)活性增強(qiáng);SRF第二、三、四階段最大失重峰處析出的氣體組分主要分別為:烷烴類化合物、酯類、CO_2、氯代烴;烷烴類化合物和CO_2;CO_2和氯代烴;第三階段失重峰處不產(chǎn)生氯代烴;脫氯半焦的加入可促進(jìn)燃料熱解產(chǎn)生CO_2和CH_4。升溫速率為20℃·min~(-1)時(shí),脫氯半焦的添加量達(dá)到20 wt%,才對SRF的熱解失重特性有顯著影響;分布活化能法(DAEM)發(fā)現(xiàn),轉(zhuǎn)化率α0.3時(shí),SRF-1反應(yīng)活化能低于其他3種燃料,0.3α0.9時(shí),活化能顯著高于其他3種燃料。6)采用TG-FTIR分析方法對添加不同比例脫氯半焦制備的SRF的燃燒性能及動(dòng)力學(xué)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn):升溫速率10℃·min~(-1)時(shí),燃料存在4個(gè)失重階段。第二失重階段,隨脫氯半焦添加比例的增加,最大失重速率增加;升溫速率20℃·min~(-1)時(shí),脫氯半焦對燃料燃燒失重率的影響不明顯,但脫氯半焦的加入提高了燃料的反應(yīng)活性。兩種加熱速率下,脫氯半焦的加入使SRF的著火點(diǎn)降低,燃盡溫度降低,燃盡性能提高�？扇枷禂�(shù),穩(wěn)燃系數(shù)和綜合燃燒特性指數(shù)S均更高,表明脫氯半焦的加入有利于燃料的燃燒,且最佳添加比例為10 wt%。Coats-Redfern積分法得到第二、第三失重階段分別遵循二級和一級反應(yīng)動(dòng)力學(xué)規(guī)律。DAEM法得到,總體上添加脫氯半焦的SRF燃料反應(yīng)活化能顯著更低。第二、三、四失重階段,燃燒氣體產(chǎn)物主要分別為CO_2、烷基、羰基化合物、含C-Cl的有機(jī)化合物、CH_4、CO_2和有機(jī)氯化物,CO_2和氯化物。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明脫氯半焦的添加可能能促進(jìn)碳?xì)浠衔锶紵a(chǎn)生CO_2和H_2O。本文的研究成果將為微波處理類似固體廢棄物的工業(yè)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)優(yōu)化提供理論參考。同時(shí)為該種SRF熱處理設(shè)備的設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供參數(shù)參考。
【圖文】：

對應(yīng)頻率 1~300 GHz，如圖1-3 所示。由于微波輻射的頻率范圍處于無線電波和可見光之間，能應(yīng)用電磁波和電磁場理論處理與微波相關(guān)的一些問題，特別是微波在空間的傳播及其與物質(zhì)的相互作用等。大部分微波商業(yè)操作頻率為 915 MHz 和 2 450 MHz。圖 1-3 電磁光譜圖Fig.1-3 Electromagnetic spectrogram.通常，微波能夠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、橡膠和食品等介質(zhì)材料吸收而產(chǎn)生熱[96]。而金屬類材料，則會(huì)反射微波。因此，通常根據(jù)材料對微波產(chǎn)生的反射、吸收或者投射現(xiàn)象，將材料分為四類[97,98]，即微波反射體、絕熱體、微波吸收體和鐵氧體，其微波特性如表1-5。

博士學(xué)位論文一種間歇式微波高溫氣氛實(shí)驗(yàn)爐（長沙隆泰微波熱工有限公司，專利號N201120425370.1）。圖 2-1 為小型微波脫氯實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)物照片。微波發(fā)生系、微波控制系統(tǒng)、諧振腔及溫度測定系統(tǒng)是微波脫氯實(shí)驗(yàn)裝置的重要組成部。微波源包括微波發(fā)生系統(tǒng)和微波控制系統(tǒng)。變壓器、磁控管和波導(dǎo)管等組了微波發(fā)生系統(tǒng)，磁控管（NRX-1001，2.45 GHz，，500 w）可產(chǎn)生 0~3 kW 連可調(diào)的微波功率。微波功率、加熱時(shí)間和溫度等參數(shù)均通過微波控制系統(tǒng)進(jìn)設(shè)定。由磁控管產(chǎn)生的微波通常經(jīng)由波導(dǎo)管進(jìn)入微波諧振腔。通常，在微波和微波諧振腔中間裝環(huán)形器，由循環(huán)水吸收反射波，目的是為了防止微波反損害磁控管。熱電偶和溫度顯示屏則構(gòu)成了溫度測定系統(tǒng)。本實(shí)驗(yàn)采用熱電（K 型鎧裝）進(jìn)行測溫，測定溫度范圍 0~1 300 ℃，分辨率為 1 ℃。
【學(xué)位授予單位】：湖南工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TQ517;X705

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