【摘要】： 人類正面臨環(huán)境污染和能源危機(jī)的嚴(yán)峻挑戰(zhàn),有機(jī)廢物、廢水的無害化處理技術(shù)與可再生能源的開發(fā)受到普遍關(guān)注。超臨界水(SCW)作為一種環(huán)境友好反應(yīng)介質(zhì),具有與有機(jī)物互溶、反應(yīng)速度快、反應(yīng)效率高等特點(diǎn),超臨界水處理有機(jī)廢物、廢水技術(shù)日益受到國內(nèi)外的普遍關(guān)注。 目前,國內(nèi)外超臨界水處理有機(jī)物主要分為熱解技術(shù)和氧化技術(shù)。本文對(duì)選擇的幾種代表性有機(jī)物進(jìn)行了超臨界水熱解和氧化處理試驗(yàn),得出了不同反應(yīng)條件對(duì)反應(yīng)過程及反應(yīng)產(chǎn)物的影響規(guī)律,并深入探討了反應(yīng)過程中主要元素的遷移過程與規(guī)律,得出反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型,為實(shí)際應(yīng)用提供了試驗(yàn)數(shù)據(jù)參考。針對(duì)超臨界水熱解、氧化技術(shù)目前存在的某些問題,提出了相應(yīng)對(duì)策,并設(shè)計(jì)了超臨界水氧化能量轉(zhuǎn)換利用系統(tǒng),分析了其應(yīng)用前景。 論文詳細(xì)給出了超臨界水的各種物理化學(xué)性質(zhì)(包括氫鍵、密度、熱導(dǎo)率、擴(kuò)散系數(shù)、介電常數(shù)、溶解度、電離度等),根據(jù)IAPWS formulation97所查超臨界水的物性參數(shù),擬合出超臨界狀態(tài)下密度、導(dǎo)熱系數(shù)、動(dòng)力黏度、定壓比熱等關(guān)于溫度的二次關(guān)系式。通過對(duì)國內(nèi)外有關(guān)超臨界水熱解氧化有機(jī)物的研究工作進(jìn)行綜述,總結(jié)歸納了適合超臨界水熱解氧化的反應(yīng)機(jī)理、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)等內(nèi)容。 論文研究了木屑、廢舊輪胎在超臨界水中熱解效率及其影響因素。超臨界水熱解對(duì)有機(jī)物有著很好的降解效果。反應(yīng)溫度、停留時(shí)間對(duì)有機(jī)物的熱解影響較大；升高反應(yīng)溫度、延長停留時(shí)間、提高反應(yīng)壓力,有機(jī)物在超臨界水中熱解率將增大；壓力對(duì)有機(jī)物熱解的影響較�。粺峤鈮毫Ω哂诔R界壓力后不宜太高,以降低對(duì)設(shè)備的要求。 對(duì)超臨界水熱解后的木屑及廢舊輪胎殘?jiān)M(jìn)行元素分析。木屑在亞臨界狀態(tài)下熱解已經(jīng)較為完全,但是隨著溫度和壓力的升高,其熱解程度進(jìn)一步加深,殘?jiān)械奶己恳苍谥鸩缴?但是趨勢(shì)都在逐漸減緩。廢舊輪胎在亞臨界狀態(tài)的熱解反應(yīng)率僅有40%,其熱解程度隨著溫度和壓力的升高而逐漸加深,在550℃、22.2MPa時(shí)反應(yīng)已經(jīng)接近完全,殘?jiān)刑己侩S著溫度和壓力的升高出現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì),平均含碳量在80%以上。在臨界點(diǎn)附近壓力對(duì)廢舊輪胎熱解的影響較大,充分反映了超臨界水處理技術(shù)的重要性。 木屑超臨界水熱解后的氣體產(chǎn)物主要為C02、H2、CO、CH4及一些烴類氣體。CO2含量隨著溫度升高先增加后減少,CO的含量較低,且基本保持不變,CH4含量則是隨著溫度的升高一直在升高。壓力升高,CO、CH4含量降低,CO2、C2-C6烴類氣體含量升高。CH4、H2是廢舊輪胎在超臨界水中熱解的主要?dú)怏w產(chǎn)物,隨著溫度的升高其含量迅速升高,400℃-500℃是CH4生成的主要溫度階段。CO含量較低,在450℃-500℃范圍內(nèi)略有升高。 木屑及廢舊輪胎在超臨界水中熱解均無SO2、NOx等有毒有害氣體產(chǎn)生,反應(yīng)所得的固體產(chǎn)物由于其含碳量較高,經(jīng)過進(jìn)一步處理后可作為活性炭使用,熱解油可作為液體燃料,氣體產(chǎn)物可用作氣體燃料。超臨界水熱解技術(shù)是一項(xiàng)能夠有效回收能源、處理廢物的新型環(huán)保技術(shù),必將有巨大的發(fā)展前景。 選擇了高濃度造紙黑液進(jìn)行跨臨界水氧化資源化的研究。討論了溫度、壓力、停留時(shí)間等因素對(duì)反應(yīng)的影響。結(jié)果表明超臨界水氧化對(duì)高濃度造紙黑液有著很好的降解效果,在實(shí)驗(yàn)條件下,高濃度有機(jī)污染物的COD去除率可以達(dá)到99%以上,氧化氣體的主要成分是二氧化碳。升高反應(yīng)溫度、延長停留時(shí)間、提高反應(yīng)壓力,黑液在超臨界水中氧化降解率(或COD去除率)將增大；反應(yīng)溫度的影響較大；停留時(shí)間、壓力對(duì)有機(jī)物氧化反應(yīng)的影響較��；堿性環(huán)境有利于造紙黑液的氧化降解。 以氧氣作為氧化劑,對(duì)模擬的生活垃圾進(jìn)行超臨界水氧化處理研究,研究了反應(yīng)溫度、添加活性炭改變含碳量、過量氧氣系數(shù)對(duì)氧化率的影響。結(jié)果表明：反應(yīng)溫度是超臨界水氧化處理生活垃圾的最主要影響因素。當(dāng)度高于400℃,壓力高于23MPa,反應(yīng)時(shí)間1min,過量系數(shù)為3的反應(yīng)條件下生活垃圾的二氧化碳轉(zhuǎn)化率達(dá)到80%以上。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在垃圾中添加活性炭可以提高二氧化碳轉(zhuǎn)化率10%左右,也證明了活性炭的催化作用。 對(duì)生活垃圾中C、N、S元素遷移規(guī)律進(jìn)行的試驗(yàn)研究表明：隨著溫度的升高,氣相產(chǎn)物碳收率增加,固相產(chǎn)物碳收率降低,液相產(chǎn)物碳收率基本穩(wěn)定;NO、NO2、NH3、HCN氮收率均接近0,有一部分N元素轉(zhuǎn)化為N2O氣體；有5%-30%的硫元素以硫酸鹽的形式存在液相中,幾乎不產(chǎn)生SO2、S03氣體。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),添加活性炭既能促進(jìn)氧化反應(yīng)又可以降低N20氣體的生成。因此,超臨界水氧化是一種高效、清潔的處理方法。 對(duì)有機(jī)物在超臨界水中氧化降解的動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了推導(dǎo),采用狀態(tài)方程描述高含氧的超臨界水體系的P-V-T關(guān)系。 論文提出了一種環(huán)境友好的新型的有機(jī)廢物資源化利用技術(shù)——超臨界水氧化能量轉(zhuǎn)換技術(shù),深入探討了該技術(shù)的應(yīng)用前景及若干工程化問題。針對(duì)超臨界熱解、氧化技術(shù)普遍存在的腐蝕和堵塞問題,設(shè)計(jì)了新型的防堵塞防腐蝕的超臨界水反應(yīng)器,通過選擇合適的耐腐蝕材料、特殊結(jié)構(gòu)及工藝的合理設(shè)計(jì),可以解決或減輕設(shè)備腐蝕和堵塞。通過合理利用和回收熱量,可以實(shí)現(xiàn)能量自給,甚至可以副產(chǎn)高壓蒸汽,以降低處理費(fèi)用,使其在經(jīng)濟(jì)方面合理化；可廣泛應(yīng)用于低污染且需求高品位熱源的領(lǐng)域,特別適用城市區(qū)域性分布式供熱及兼顧有機(jī)廢水與垃圾的處理。超臨界水氧化能量轉(zhuǎn)換是一種環(huán)境友好的能源利用技術(shù),燃料適用范圍很廣,煤粉、生物質(zhì)、各類工業(yè)有機(jī)質(zhì),有機(jī)廢水和固體廢棄物都可以作為燃料氧化燃燒,同時(shí)也不會(huì)有NOX、SOX、二惡英等二次污染物的排放;CO2、無機(jī)鹽等產(chǎn)物可以方便的集中回收。 在質(zhì)量平衡方程和能量平衡方程基礎(chǔ)上,計(jì)算得出超臨界水氧化能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)系統(tǒng)的有效能量利用率可達(dá)到56.4%；處理COD為40000mg/L的有機(jī)廢液的成本為33元／t,其中氧氣的費(fèi)用消耗約占總消耗的71.8%。處理工藝的改進(jìn)以及氧氣生產(chǎn)成本降低或?qū)ふ业叫碌难趸瘎┘笆褂梅绞?均可以在一定程度上降低有機(jī)廢液的處理成本。 超臨界水熱解、氧化技術(shù)是一種新興的對(duì)有機(jī)物進(jìn)行資源化和能源化利用的技術(shù),受到了國內(nèi)外的普遍關(guān)注,有關(guān)超臨界水技術(shù)基礎(chǔ)和應(yīng)用研究的各方面的研究工作廣泛開展,也取得了大量的成果,但由于該技術(shù)發(fā)展的時(shí)間還比較短,許多方面的研究還有待加強(qiáng),例如催化氧化研究及其問題探索；水的性質(zhì)與作用的研究;工程化問題研究與擴(kuò)大試驗(yàn)等。對(duì)有機(jī)物超臨界水熱解氧化過程反應(yīng)機(jī)理、動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)及能量平衡與綜合優(yōu)化的研究不夠深入,仍需大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的支持。
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2010
【分類號(hào)】：X703
【圖文】：

3.1試驗(yàn)裝里及流程3.1.1試驗(yàn)裝置試驗(yàn)裝置分為間歇式反應(yīng)釜和連續(xù)式反應(yīng)系統(tǒng)。圖3一1是間歇式系統(tǒng)示意圖。峰峰峰 蒼蒼蒼 蒼 }}}日 日日日日 圖3一l間歇式試驗(yàn)系統(tǒng)1一電爐絲;2一保溫層;3一冷卻水入口;4一液體入口;5一氣體入口:6一固體加料口;7一氣體產(chǎn)物出口;8一冷卻水出口;9一固體殘?jiān)判箍?10一有機(jī)玻璃管;11一排水出口;12一外筒;13一內(nèi)筒間歇式試驗(yàn)臺(tái)，主要包括高壓反應(yīng)釜、高壓反應(yīng)釜控制系統(tǒng)及產(chǎn)物收集系統(tǒng)。高壓反應(yīng)釜部分是整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)的核心，保障有機(jī)物的超臨界熱解、氧化的順利進(jìn)行。高壓反應(yīng)釜的設(shè)計(jì)溫度為550℃，設(shè)計(jì)壓力為32MPa。氧氣從氣體入口由氣體增壓泵增壓后進(jìn)入反應(yīng)釜;有機(jī)廢液由液體增壓泵增壓后經(jīng)液體入口進(jìn)入反應(yīng)釜。氣體入口管與液體入口管都插至高壓反應(yīng)釜底部，便于有機(jī)廢液與氧化劑的充分混合，并有足夠的時(shí)間反應(yīng)。氣體產(chǎn)物出口設(shè)置在反應(yīng)釜上部。

的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)和控制，以滿足不同試驗(yàn)的要求。反應(yīng)系統(tǒng)的壓力是靠高壓泵的升壓和系統(tǒng)出口閥的開度來調(diào)節(jié)，系統(tǒng)壓力由精密壓力表來指示。連續(xù)式試驗(yàn)系統(tǒng)如圖3一2所示，由進(jìn)料系統(tǒng)、預(yù)熱系統(tǒng)、反應(yīng)系統(tǒng)、冷卻降壓系統(tǒng)、氣液分離系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成�！病病病场场场场场� }}}}}}}}}一 一’’’’’’’ lll ((((( lllll比比 ---lll一 一圖3一2連續(xù)式試驗(yàn)系統(tǒng)1一液體儲(chǔ)罐;2一液體增壓泵;3一預(yù)熱器;4一氧氣瓶;6一高溫高壓反應(yīng)器;7一背壓閥;8一冷卻器;9一降壓閥;5一氣體增壓泵;10一氣液分離器(l)進(jìn)料系統(tǒng):由空氣壓縮機(jī)、液體增壓泵和氣體增壓泵組成，最大流量分別為ZL爪和3OL爪，精度均為1%，液體增壓泵用于泵入有機(jī)廢水，氣體增壓泵分別用泵入02或空氣，空壓機(jī)作為兩泵的驅(qū)動(dòng)氣源。(2)預(yù)熱系統(tǒng):由316合金材質(zhì)后壁鋼管和6kw電爐組成，內(nèi)徑為34.6rnrn，壁厚8.2mm

【引證文獻(xiàn)】

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前2條

1 李杏梅;超臨界水氧化處理含揮發(fā)酚類焦化廢水的實(shí)驗(yàn)研究[D];太原理工大學(xué);2012年

2 劉曉宇;廚余乳酸發(fā)酵實(shí)驗(yàn)研究[D];東北大學(xué);2011年

本文編號(hào)：2727320