【摘要】： 依托于國家自然科學基金項目(No.50076037)，本文開展了固體廢物回轉式熱解制取潔凈燃料(氣、油和炭)和化學原料(芳香油、活性炭或炭黑)的基礎研究。內(nèi)容主要包括三部分：回轉窯內(nèi)固體傳輸和傳熱過程特征的研究；微型規(guī)模(TGA)和小型實驗室規(guī)模固體廢物熱解的機理和基礎研究；基于廢輪胎為目標的連續(xù)性中試規(guī)模回轉窯熱解工藝初步試驗評估和熱解產(chǎn)物的應用前景研究。 (1)反應器傳輸和傳熱特征研究：首先，采用DPIV技術定性地分析了回轉窯滾落運動模式(Rolling Regime)的機理特征；并在該模式下開展了混合固體廢物(MSW)在回轉窯內(nèi)輸運和擴散過程試驗研究，詳細探討了物料性質、操作條件(轉速和傾角)、結構條件(擋板和內(nèi)構件)等因素對物料停留時間(MRT)和體積流率(MVF)的影響；在Saeman和Gupta單顆粒軌道模型(PTM)基礎上，采用了矢量分析方法重新求解了單歷程內(nèi)顆粒運動的軌跡方程，進而結合顆粒分離特征參數(shù)σ_(?)發(fā)展了隨機顆粒軌道模型，并對MSW在窯內(nèi)停留時間分布實現(xiàn)了數(shù)值計算，模型計算值和試驗結果取得了良好一致；在低料床填充率假沒條件下，從顆粒軌道模型中導出了MRT和MVF的簡化計算公式，該公式完全優(yōu)于現(xiàn)有的傳統(tǒng)計算公式，從而構成了回轉窯熱解爐或焚燒爐優(yōu)化設計或放大的基礎。 其次，在國際研究綜述的基礎上分析了回轉窯內(nèi)傳熱途徑或機理特征，著重考慮了筒體回轉對各項傳熱系數(shù)的影響，尤其是創(chuàng)見性地將流化床和固定床中廣泛存在“熱滲透”模型加以發(fā)展，巧妙解決了窯內(nèi)轉動壁面和覆蓋料床之間傳熱系數(shù)的計算；建立了內(nèi)熱式回轉窯軸向一維傳熱模型，并采用該模型對卑詩大學Barr et al.試驗數(shù)據(jù)進行了仿真，無論是窯內(nèi)溫度場還是熱量場，試驗值和仿真值均取得了十分理想的吻合，隨后將軸向傳熱模型擴展到了外熱式，并應用其對I.D.0.3×1.8m外熱式熱解爐進行了傳熱校核。 傳輸和傳熱特征研究表明：回轉窯是一個慢加熱速率的反應裝置，但具有廣泛進料適應性、良好物料混合特性以及靈活物料輸運特性等諸多優(yōu)點。因此，回轉窯作為熱解反應器比較適用于兩種情況：對加熱速率依賴性較低的廢輪胎的熱解；以生物質為基體的各種粒徑和形態(tài)混合廢物的熱解。 (2)微型和小型規(guī)模熱解機理研究：以廢輪胎為主要目標(生物質混合廢物作為比較)，從微型熱天平和小型實驗室規(guī)模角度系統(tǒng)地研究了其熱解機理。首先，TG-DTG特性表明，與煤和生物質等進化燃料不同，廢輪胎熱解實質上是250℃～520℃之間各具體化學配方成分(NR、BR、SBR和添加油)獨立熱解的線性疊加，而且熱解反應對加熱速率依賴性不大；進而在國外一些學者平行研究基礎上提出了多膠體模型(Multi-Elastomer-Model)，成功地實現(xiàn)了廢輪胎熱解反應動力學的模擬。其后，在1kg小型批量熱解爐上全面研究了廢輪胎熱解的氣體、液體和固體產(chǎn)物的平衡、成分和性質，不僅探討了溫度和轉速等參數(shù)的影響、完善了熱解產(chǎn)物的分析方法，而且結合試驗研究首創(chuàng)性地提出了熱解過程的“3R(初熱解反應、揮發(fā)相二次反應以及炭氣化反應)+2T(溫度和氣相停留時間)”準則。該準則不僅能夠成 摘要(^bs traet) 功地解釋廢輪胎熱解過程中各種現(xiàn)象，而且也為回轉窯熱解工藝的優(yōu)化設計和中試研究提 供了堅實的基礎。 (3)中試熱解系統(tǒng)的初步試驗評估研究二以回轉窯為基礎爐型成功地完成了20kglh中 試規(guī)模廢輪胎熱解的工藝發(fā)展裝置(POU)設計，并在450℃一650℃內(nèi)范圍內(nèi)開展了該戶OU 工藝的初步評估試驗。熱解目標產(chǎn)物是固體炭和液體油，前者收率約為38.8·43.9%，而 后者則為42.7、45.1%，熱解產(chǎn)物平衡可由“3R+2T’’準則合理解釋。熱解油具有粘度低 (1 .6一3.7cs)、熱值高(4O一42 MJlkg)的優(yōu)點，可直接或摻混作為重質燃料油使用;此外， 通過對熱解高溫熱解油蒸汽合理切割成不同餾份使用，既可以從中提取出高價值的粗苯、 蘭烯和道路瀝青等化學原料，又能夠將提取后的剩余物作為燃料使用。盡管和商業(yè)炭黑相 比，熱解炭中灰分高達，2訓5%，但在一些基本指標如日E丁面積、OSp吸油值和吸碘值 方面熱解炭指標并未發(fā)生太大變化，因此適當炭化、酸洗后的熱解炭可以用作中等補強作 用低品質炭黑使用;孔隙分布研究表明，熱解炭主要由中孔或大孔組成，微孔結構沒有商 業(yè)活性炭發(fā)達，活化后熱解炭隨著燒失率的提高BE丁面積也可提高到3oomZlg，比之原始 炭提高了約200%，因而對苯酚和碘的吸附性能也有較大提高，尤其是亞甲基蘭的吸附性 能已基本接近商業(yè)活性炭，因此適度活化后熱解炭可以考慮作為廢水或煙氣處理中一些大 分子污染物(如重金屬或二惡英)的吸附劑。
【學位授予單位】：浙江大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2002
【分類號】：X705
【圖文】：

第二章回轉窯內(nèi)固體廢物輸運和擴散的試驗和模型圖2.13所示是回轉窯傾角對MSW運動特性的影響。隨著傾角從0.620提高到2.400，由11.28min降低到5.58min，而物料體積流率則從2.181/min升高到3.731/min。原:傾角的增加使料床表面層內(nèi)沿物料滾落方向的傾斜度增加，從而增大了料床表面料的前進方向的重力分力，所以物料的軸向運動速度加大，物料的平均截面速度加，減少而MVF增大。4出口擋板的影響1.1’住10.5‘20

.2.6壁面粗糙度對停留時間的影響圖2.18一2.19還列出了不同壁面粗糙度下MSw的停留時間和體積流率的比較。壁面粗糙度對MRT的影響主要源自料床床態(tài)的改變。當內(nèi)壁光滑即f較小(0.48)時，MSw在回轉窯內(nèi)床態(tài)為滑移(sliping)，物料將作為一個整體向前運動，此時平均截面速度較高，MRT也就較小;當窯壁敷設細砂布即f提高到1.00時，料床由滑移(sliPing)向塌落(slumping)或滾落(rolling)床態(tài)轉變，新床態(tài)下的物料平均截面速度較低，因而MRT增加到1.41倍、MVF減少到0.81倍;當窯壁敷設粗砂布時，f的進一步提高(l.25)不再構成床態(tài)明顯的變化，則其MRT的變化也較小，為光壁下的1.47倍

內(nèi)構件形式圖2.18內(nèi)構件對停留時間的影響(Msw)內(nèi)構件形式圖219內(nèi)構件對停留時間的影響〔石英砂)2.6壁面粗糙度對停留時間的影響圖2.18一2.19還列出了不同壁面粗糙度下MSw的停留時間和體積流率的比較。壁面粗度對MRT的影響主要源自料床床態(tài)的改變。當內(nèi)壁光滑即f較小(0.48)時，MSw在回轉內(nèi)床態(tài)為滑移(sliping)，物料將作為一個整體向前運動，此時平均截面速度較高，MRT就較小;當窯壁敷設細砂布即f提高到1.00時，料床由滑移(sliPing)向塌落(slumping)或落(rolling)床態(tài)轉變，新床態(tài)下的物料平均截面速度較低，因而MRT增加到1.41倍、VF減少到0.81倍;當窯壁敷設粗砂布時，f的進一步提高(l.25)不再構成床態(tài)明顯的變，則其MRT的變化也較小，為光壁下的1.47倍，同時MVF為原來的0.76倍。一.一光滑窯壁一母一繃砂布璧面-今~粗砂布璧面灰J口﨑4口曰，J1..‘壓謐衣11仁u一巨/l\端哥

本文編號：2760083