硕士论文--反烧式固定床废轮胎与生物质共热解实验研究-7-03版.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,反烧式固定床废轮胎与生物质共热解实验研究,目 录,绪论,1,废轮胎胶粉与生物质管式炉共热解实验研究,3,废轮胎热解中试工艺系统设计,4,2,利用热分析研究废轮胎胶粉的热解特性,整胎与生物质共热解中试实验研究,5,结论与展望,6,第,1,章,绪论,图,1-1 2000-2009,年,人均,GDP,与“三废”排放量对比,1.1,环境问题,图,1-2,我国“三废”排放剧增,第,1,章,绪论,1.2,废轮胎的危害,废轮胎由,20,多种物质组成的高分子弹性材料，具有很强的,抗热、抗生物、抗机械性,，埋在地下数百年都不会降解。,容易滋生蚊虫,传播疾病,。,由于废轮胎中的橡胶成份热值很高，极易引发,火灾,，而且轮胎燃烧将释放大量二氧化碳、二氧化硫、硫化氢、苯类、二甲苯类、多环芳烃等,有毒有害气体,，产生严重的,黑色污染,。,2005,年我国产生废轮胎大约为,1.25,亿条，约合,324,万吨，其中,174,万吨废轮胎被用来土法,炼油,，排放,二氧化硫,48,万,吨，造成严重的,环境污染,和巨大的经济损失。,图,1-3,废轮胎危害,第,1,章,绪论,国家,2010,年,2011,年,2012,年,美洲国家,510.1,529.1,549.1,欧洲国家,461,501.4,522.9,俄罗斯,74.6,79.2,83.7,非洲,/,中东,40,38.7,40.9,中国,808.8,852.7,879.8,亚洲其他国家,705.7,731.5,772.1,合计,2486,2585,2717.5,增长率,/%,15.7,4,5.1,表,1-1 2010-2012,年世界橡胶消费量（,10,4,t,）,1.3,废轮胎的来源,图,1-5,轮胎结构图,图,1-6,轮胎橡胶化学组成,图,1-4,数量巨大的机动车辆,第,2,章,利用热分析研究废轮胎胶粉的热解特性,2.1,热分析,热重实验采用的仪器为法国,Setaram,公司的,TGA92,热综合分析仪。温度范围：,RT1600,，升温速率：,0100,/min,，冷却时间：,25,分钟（,1600-100,），称重范围：最大,20,克，天平解析度：,0.02g,，测量气氛：惰性，氧化，静态，真空，可抽真空。,图,2-1,废轮胎胶粉,图,2-2,生物质粉末,2.2,实验样品,本章以胶粉和松木屑颗粒为研究对象，粒径均为,1-1.6mm,，如图,2-1,和,2-2,所示。表,2-1,分别为胶粉与生物质的工业分析和元素分析。,第,2,章,利用热分析研究废轮胎胶粉的热解特性,2.2,实验样品,原料种类,工业分析,(%),元素分析,(%),M,ad,V,ad,A,ad,FC,ad,C,H,N,S,O,生物质,6.25,78.95,0.76,14.04,52.3,5.82,0.24,0,38.81,废轮胎,2.00,67.50,5.30,25.20,88.56,8.27,0.41,1.43,1.33,表,2-1,废轮胎与生物质的工业分析和元素分析,2.3,实验内容,采用轮胎胶粉、以及胶粉与生物质,1:1,的混合物作为实验样品，用量均为,10 mg,；采用高纯氮气,(,99.999%,),作为载气，其流量为,100 ml/min,；升温速率为,10,/min,、,50,/min,和,100,/min,。将样品以不同的升温速率由室温加热至至,1000,，并恒温,30 min,。,2.4,结果和讨论,图,2-3,胶粉在,10,/min,的升温率下热重曲线,图,2-4,胶粉在,50,/min,的升温率下热重曲线,图,2-5,胶粉在,100,/min,的升温率下热重曲线,图,2-6,升温速率对胶粉热解,TG,曲线的影响,第,2,章,利用热分析研究废轮胎胶粉的热解特性,胶粉热重分析,干燥,半焦缩聚,主要热解,初始热解,升温速率增加,热滞后加剧,产生失重后移,丁苯橡胶,顺丁橡胶,天然橡胶,顺丁橡胶,2.4,结果和讨论,样品,温度（）,失重（,%）,n,A,E（kJ/mol）,R,E,m,(kJ/mol),废轮胎,230395,45.76,1/3,1.99E+08,45.86,0.9979,43.24,395497,47.32,1,1.02E+08,38.73,0.9989,497668,6.82,2,2.09E+15,60.21,0.9977,表,2-2,废轮胎热解动力学参数,图,2-7,在,10,/min,的升温速率下胶粉,和混合物的失重,TG,曲线,图,2-8,在,10,/min,的升温速率下胶粉,和混合物的失重,DTG,曲线,第,2,章,利用热分析研究废轮胎胶粉的热解特性,胶粉和混合物对比,生物质比轮胎更容易热解,加入生物质失重前移,共热解,生物质热解已经结束主要是轮胎热解,第,3,章,废轮胎胶粉与生物质管式炉共热解实验研究,3.1,实验装置,图,3-1,管式炉结构简图,图,3-3,气体净化系统,图,3-2,管式炉,3.2,实验样品,本实验使用的胶粉和生物质同,2.2.1,中实验样品，其元素分析和工业分析见表,2-1,废轮胎与生物质的工业分析和元素分析。,3.3,实验内容,第,3,章,废轮胎胶粉与生物质管式炉共热解实验研究,1,纯生物质在,700,、,800,、,900,、,1000,时的热解特性,2,胶粉质量含量为,25%,的混合原料，分别在,700,、,800,、,900,、,1000,研究温度对混合原料热解特性的影响,3,胶粉与生物质在不同质量比下共热解特性，热解温度为,900,混合物中胶粉质量含量分别为,0,、,25%,、,35%,、,50%,3.4,结果和讨论,图,3-4,温度对生物质热解产物产率的影响,图,3-5,温度对,H,2,、,CO,、,CH,4,的影响,图,3-6,温度对生物质热解气热值的影响,第,3,章,废轮胎胶粉与生物质管式炉共热解实验研究,温度升高，气体产率增加，液体、固体产率减少。,温度升高，,H,2,含量增加，,CO,略有增加，,CH,4,先增后减。,温度升高，气体热值先增后减，,900,热值最大。,温度对生物质热解特性的影响,胶粉质量含量,25%,3.4,结果和讨论,图,3-7,温度对混合物热解产物产率的影响,图,3-8,温度对,H,2,、,CO,、,CH,4,的影响,图,3-9,温度对热解气热值的影响,第,3,章,废轮胎胶粉与生物质管式炉共热解实验研究,温度升高，气体产率增加，液体、固体产率减少。,温度升高，,H,2,含量增加，,CO,、,CH,4,变化趋势不明显。,温度升高，气体热值先增后减，且比生物质热解气热值高很多。,温度对混合物热解特性的影响,胶粉质量含量,25%,3.4,结果和讨论,图,3-10,胶粉质量含量,对产物产率的影响,图,3-11,胶粉质量含量,对,H,2,、,CO,、,CH,4,的影响,图,3-12,胶粉质量含量对热解气热值的影响,第,3,章,废轮胎胶粉与生物质管式炉共热解实验研究,胶粉增多，气体产率减少，液体、固体产率增加。,胶粉增多，,H,2,、,CH,4,含量增加，,CO,减少。,胶粉增多，气体热值呈明显的增加趋势。,胶粉质量含量对热解特性的影响,胶粉质量含量,25%,第,4,章,废轮胎热解中试工艺系统设计,4.1,废轮胎与生物质共热解热化学过程,热解过程中涉及到的反应,废轮胎和生物质,气化剂,（空气）,热解反应器（热解反应）,燃气（,H,2,、,CH,4,、,CO,等）,+,焦油,+,烟尘,燃气净化,化工原料,能,源利用,燃气或发电,炭,+,钢丝,（,1,）碳的氧化反应,C+O,2,CO,2,+408.8 kJ/mol,2C+O,2,2CO+231.4 kJ/mol,（,2,）,碳与水蒸汽的反应,C+H,2,O,CO+H,2,-131.39kJ/mol,C+2H,2,O,CO,2,+2H,2,-90.196kJ/mol,（,3,）碳与二氧化碳反应,CO,2,+C,2CO-162.41kJ/mol,（,4,）甲烷生成反应,C+2H,2,CH,4,+74.9 kJ/mol,CO+3H,2,CH,4,+H,2,O-206.2kJ/mol,图,4-1,废轮胎与生物质热化学转化示意图,4.2,热解系统及热解炉设计方案,图,4-2,热解系统流程图,图,4-3,热解炉结构示意图,1-,水夹套进口；,2-,水夹套；,3-,水槽；,4-,水槽溢流口；,5-,安全栓；,6-,炉盖；,7-,热解气出口；,8-,热电偶接口；,9-,进气口；,10-,灰箱,1-,鼓风机；,2-,玻璃转子流量计；,3-,热解炉；,4-,一号燃烧器；,5-,二号燃烧器；,6-,引风机；,7-,炭虑罐；,8-,水洗罐；,9-,溢水管；,10-,进水管；,11-,灰箱,第,4,章,废轮胎热解中试工艺系统设计,4.3,热解炉设计,图,4-4,185/60R14 82H,型轮胎外形尺寸,图,4-5,热解室内轮胎放置示意图,热解炉主要参数如下，设计温度为,800,，炉顶水封压力为,1.96 kPa,，设计进气量为,3577 Nm,3,/h,，可调节空气当量比,0.150.3,，出气量为,70200 Nm,3,/h,，热解室内径,650 mm,，有效装料高度,740 mm,，生物质最大装料量,55 Kg,。,图,4-6,反烧式固定床热解炉,第,4,章,废轮胎热解中试工艺系统设计,第,5,章,整胎与生物质共热解中试实验研究,5.1,实验装置,图,5-1,废轮胎和生物质共热解系统,5.2,实验样品,图,5-2,废轮胎原料,图,5-3,生物质,原料,5.3,实验方案,表,5-1,整胎与生物质共热解中试实验方案,实验,轮胎,数量,轮胎,放置,生物质（,Kg）,轮胎质量含量（,%）,进气量（,m,3,/h）,当量比,第一组,0.5,图,5-4 a,50,6.89,60,0.23,第二组,1,图,5-4 b,50,12.89,60,0.23,第三组,1.5,图,5-4 c,50,18.17,60,0.23,第四组,1.5,图,5-4 c,50,18.17,51,0.2,第五组,1.5,图,5-4 c,50,18.17,38,0.15,第六组,0,-,50,0,60,0.23,第七组,2,图,5-4 d,50,22.84,51,0.2,第八组,2,图,5-4 d,50,22.84,46,0.18,第,5,章,整胎与生物质共热解中试实验研究,5.3,实验方案,（,a,）,图,5-4,装料示意图,（,b,）,（,c,）,（,d,）,第,5,章,整胎与生物质共热解中试实验研究,5.4,结果与讨论,图,5-7,轮胎质量含量对热解气中,CH,4,的影响,图,5-8,轮胎质量含量对热解气热值的影响,图,5-5,轮胎质量含量对热解气中,H,2,的影响,图,5-6,轮胎质量含量对热解气中,CO,的影响,第,5,章,整胎与生物质共热解中试实验研究,轮胎质量含量对热解特性的影响,当量比为,0.23,时，轮胎增多，,H,2,、,CO,、,CH,4,、燃气热值都会增加。,5.4,结果与讨论,图,5-12,空气当量比对热解气热值的影响,图,5-9,空气当量比,对热解气中,H,2,的影响,图,5-10,空气当量比,对热解气中,CO,的影响,第,5,章,整胎与生物质共热解中试实验研究,图,5-11,空气当量比,对热解气中,CH,4,的影响,空气当量比对热解特性的影响,当量比在,0.15-0.23,之间变化时，,H,2,、,CH,4,在大当量比是含量较多，,CO,在,ER=0.15,是含量最大。,气体热值,ER=0.23,时，有最大值，,6.7MJ/Nm,3,5.4,结果与讨论,（轮胎处理效果）,（,a,）轮胎,0.5,个,ER=0.23,图,5-13,不同条件下轮胎处理效果,（,b,）轮胎,1,个,ER=0.23,（,c,）轮胎,1.5,个,ER=0.23,（,d,）轮胎,1.5,个,ER=0.20,（,e,）轮胎,1.5,个,ER=0.15,（,f,）轮胎,2,个,ER=0.20,（,g,）轮胎,2,个,ER=0.18,第,5,章,整胎与生物质共热解中试实验研究,第,6,章,结论与展望,6.1,结论,（,a,）热分析结果表明，废轮胎的热解过程可分为四个阶段：,干燥阶段,（温度范围,30160,），失重量约占总质量的,3%,；,热解初始阶段,（,160230,），有微小失重；,主要热解阶段,（,230495,），该阶段反应剧烈，失重量达到,48.2%,；,半焦缩聚反应阶段,(4951000,),，以缩聚反应为主，,就是剩余固体转化成焦炭，,失重量约为,4.38%,。,（,c,）反烧式固定床热解炉中整胎与生物质共热解的实验结果表明，,利用反烧式固定床进行整胎与生物质的共热解是可行的，但是,整胎热阻和气阻较大,，,生物质比轮胎更易热解,，使得轮胎完全热解所需时间更长。增大废轮胎质量含量使得热解气体热值提高，废轮胎质量含量由,6.89%,增大至,18.17%,时，对应的,气体热值由,5.4 MJ/Nm,3,增大至,6.7 MJ/Nm,3,；本装置的床层布置要求顶层和底层生物质厚度都不小于,150mm,，废轮胎的,质量含量最大值为,22.84%,。,（,b,）废轮胎胶粉和生物质管式炉共热解实验结果表明，温度是影响废轮胎热解的重要因素，当热解终温从,700,升至,1000,时，,废轮胎的气体产率从,37.3 wt%,提高至,66.6 wt%,，产油率随温度的增加从,37.3 wt%,降低到,11.2 wt%,。,900,条件下，废轮胎胶粉与生物质共热解实验结果表明，当废轮胎质量含量由,0,增大至,50%,时，,气体的产率由,55.14 wt%,降低至,25.54 wt%,，热解油产率从,21.1 wt%,增加到,40.6 wt%,。,6.2,展望,（,a,）,采用生物质微米燃料供热的,焦油催化热解技术,，处理热解气中的焦油，降低产油率，增加产气率,。,（,c,）,热解炉的,高度,需要提高。为了提高轮胎质量含量，减少生物质消耗量，增加炉腔高度是有效途径。,（,b,）,鉴于以空气为氧化剂的热解工艺产气热值比较低，可以尝试使用,富氧进气,，富氧既可以提高炉内热解温度，又可以降低产气中,N,2,浓度，提高产气热值,。,（,d,）,热解结束炉内,固体炭的快速冷却和余热回收利用,，也是阻碍工艺工业化的一个重要问题。,（,e,）,目前，热解炉点火仍然要靠手动操作，不利于实现工业化，为此，需要研制成套的,自动点火系统,。,第,6,章,结论与展望,谢谢各位老师批评指正！,