我國是塑料生產(chǎn)和消耗大國，每年產(chǎn)生大量廢棄塑料，對環(huán)境造成嚴(yán)重污染。將廢棄塑料的處理和固體碳直接還原生產(chǎn)海綿鐵的工藝相結(jié)合，進(jìn)行廢棄塑料冶金資源化利用，既可保護(hù)環(huán)境，又可有效地利用這一潛在資源，其經(jīng)濟(jì)效益之顯著，社會效益之深遠(yuǎn)必將對我國經(jīng)濟(jì)、社會的可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生重大影響。本課題得到了國家自然科學(xué)基金和寶鋼鋼鐵聯(lián)合基金的資助(項(xiàng)目號№50174001)，工作的目的是研究內(nèi)配廢塑料鐵鱗直接還原的機(jī)理和還原特性，探尋內(nèi)配塑料對鐵鱗直接還原的影響。作為基礎(chǔ)研究，其結(jié)果為我國實(shí)現(xiàn)廢棄塑料冶金資源化有重要意義。 實(shí)驗(yàn)建立類H(o|¨)gan(a|¨)s氣—固直接還原體系，選取三種廢塑料(鍵盤、光盤、飲料瓶)。通過正交實(shí)驗(yàn)獲得影響金屬化率的首要因素是還原溫度，其次是還原時(shí)間和廢塑料添加量。 鐵鱗直接還原體系屬于多孔的氣—固反應(yīng)體系，孔隙率以及孔隙的空間結(jié)構(gòu)對體系的傳熱、氣體擴(kuò)散、界面化學(xué)反應(yīng)都有直接影響。因此，本文對孔隙進(jìn)行研究，鐵鱗還原過程孔隙率生長符合熱固結(jié)孔隙生長動(dòng)力學(xué)方程，并利用分形理論對孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行了初步研究。結(jié)果表明：與無內(nèi)配碳相比，內(nèi)配廢光盤會提高孔隙的分形維數(shù)，即提高試樣的孔隙率，并且對孔隙的空間結(jié)構(gòu)有一定影響。 通過塑料顆粒微觀還原實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證出內(nèi)配塑料可以提高還原料柱的孔隙率，同時(shí)，試樣微區(qū)成分分析表明，內(nèi)配的廢塑料在還原過程中會析出一定量的碳。 本文將鐵鱗直接還原體系以“粒子模型”進(jìn)行動(dòng)力學(xué)擬合，并通過等溫?zé)嶂貙?shí)驗(yàn)(TGA)得出還原過程前期處于界面化學(xué)反應(yīng)控速階段。隨著反應(yīng)進(jìn)行，逐漸過渡到界面化學(xué)反應(yīng)和氣體內(nèi)擴(kuò)散混合控速階段。計(jì)算還原反應(yīng)的表觀活化能，結(jié)果表明內(nèi)配廢塑料在一定程度上降低了反應(yīng)的表觀活化能，內(nèi)配塑料對鐵鱗還原起到催化劑的作用，加速了直接還原的反應(yīng)速率。同時(shí)，廢塑料熱分解后在試樣中殘留的孔隙改善了體系內(nèi)還原性氣體的擴(kuò)散條件，提高了金屬化率。反應(yīng)后期，界面化學(xué)反應(yīng)和氣體內(nèi)擴(kuò)散混合控速階段中，界面化學(xué)反應(yīng)的控速程度隨塑料添加量的增加而增大。在本實(shí)驗(yàn)條件下，內(nèi)配鍵盤、光盤和飲料瓶的量分別為2％、3％和4％時(shí)，試樣金屬化率分別最佳。
【學(xué)位單位】：東北大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2006
【中圖分類】：X705
【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
目錄
第一章 文獻(xiàn)綜述
    1.1 研究背景
    1.2 鐵粉生產(chǎn)現(xiàn)狀概況
        1.2.1 鐵粉生產(chǎn)工藝簡述
        1.2.2 鐵礦石直接還原概述
    1.3 廢棄塑料的利用及研究現(xiàn)狀
        1.3.1 廢塑料來源
        1.3.2 廢棄塑料的處理方式
        1.3.3 廢棄塑料的冶金原料化研究
    1.4 本工作研究內(nèi)容
第二章 原料分析
    2.1 引言
    2.2 鐵鱗及焦炭的原料分析
        2.2.1 鐵鱗的物理化學(xué)性能
        2.2.2 焦炭的物理化學(xué)性能
    2.3 塑料理化性能分析
        2.3.1 塑料的成分分析
        2.3.2 廢棄塑料熱重分析
        2.3.3 塑料裂解碳分析
    2.4 本章小結(jié)
第三章 鐵鱗還原反應(yīng)影響因素實(shí)驗(yàn)研究
    3.1 鐵氧化物直接還原的熱力學(xué)
    3.2 影響還原過程的因素
        3.2.1 固體反應(yīng)物粒度的影響
        3.2.2 還原劑的用量
        3.2.3 直接還原的影響因素
    3.3 鐵氧化物直接還原的實(shí)驗(yàn)指標(biāo)
    3.4 內(nèi)配塑料鐵鱗還原還原率影響因素的實(shí)驗(yàn)研究
        3.4.1 實(shí)驗(yàn)方法及裝置
        3.4.2 實(shí)驗(yàn)前期工作
        3.4.3 正交實(shí)驗(yàn)
    3.5 內(nèi)配塑料的單因素影響實(shí)驗(yàn)
    3.6 內(nèi)配塑料對還原產(chǎn)物抗壓強(qiáng)度的影響
    3.7 本章小結(jié)
第四章 鐵鱗直接還原孔隙率的研究
    4.1 孔隙率數(shù)學(xué)模型
    4.2 鐵鱗直接還原孔隙率實(shí)驗(yàn)
        4.2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備
        4.2.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖
        4.2.3 研究方法
    4.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及討論
        4.3.1 塑料添加量對孔隙率的影響
        4.3.2 孔隙率與反應(yīng)時(shí)間的關(guān)系
        4.3.3 溫度對孔隙率的影響
        4.3.4 孔隙率對金屬化率的影響
    4.4 本章小結(jié)
第五章 內(nèi)配塑料鐵鱗還原動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究
    5.1 氣固相反應(yīng)的基本機(jī)理
        5.1.1 等溫氣-固相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型
        5.1.2 單個(gè)多孔顆粒發(fā)生一級可逆氣-固反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型
        5.1.3 鐵氧化物直接還原的活化能評估
    5.2 單品種固定量內(nèi)配塑料鐵鱗還原動(dòng)力學(xué)研究
        5.2.1 試驗(yàn)方法
        5.2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
        5.2.3 動(dòng)力學(xué)分析
    5.3 內(nèi)配不同種類、不同量塑料的鐵鱗還原等溫?zé)嶂貙?shí)驗(yàn)
        5.3.1 研究方法
        5.3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論
    5.4 本章小結(jié)
第六章 塑料顆粒微區(qū)還原實(shí)驗(yàn)研究
    6.1 分形結(jié)構(gòu)中的布朗運(yùn)動(dòng)
    6.2 分形維數(shù)的測定
        6.2.1 研究方法
        6.2.2 數(shù)據(jù)處理
        6.2.3 討論
    6.3 塑料顆粒微區(qū)還原實(shí)驗(yàn)
        6.3.1 研究方法
        6.3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理
        6.3.3 討論
    6.4 本章小結(jié)
結(jié)論
參考文獻(xiàn)
附錄
致謝
在學(xué)研究成果

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本文編號：2840963