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版概述

1、目目 录录绪论绪论废轮胎胶粉与生物质管式炉共热解实验研究废轮胎胶粉与生物质管式炉共热解实验研究废轮胎热解中试工艺系统设计废轮胎热解中试工艺系统设计利用热分析研究废轮胎胶粉的热解特性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整胎与生物质共热解中试实验研究结论与展望结论与展望第第1章章 绪论绪论图图1-1 2000-2009年年人均人均 GDP 与与“三废三废”排放量对比排放量对比1.1 环境问题环境问题图图1-2 我国我国“三废三废”排放剧增排放剧增第第1章章 绪论绪论1.2 废轮胎的危害废轮胎的危害 废轮胎由废轮胎由20多种物质组成的高分子弹性材料，多种物质组成的高分子弹

2、性材料，具有很强的具有很强的抗热、抗生物、抗机械性抗热、抗生物、抗机械性，埋在地下数，埋在地下数百年都不会降解。百年都不会降解。 容易滋生蚊虫容易滋生蚊虫传播疾病传播疾病。 由于废轮胎中的橡胶成份热值很高，极易引由于废轮胎中的橡胶成份热值很高，极易引发发火灾火灾，而且轮胎燃烧将释放大量二氧化碳、二氧，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、多环芳烃等化硫、硫化氢、苯类、二甲苯类、多环芳烃等有毒有毒有害气体有害气体，产生严重的，产生严重的黑色污染黑色污染。 2005年我国产生废轮胎大约为年我国产生废轮胎大约为1.25亿条，约合亿条，约合324万吨，其中万吨，其中174万

3、吨废轮胎被用来土法万吨废轮胎被用来土法炼油炼油，排，排放放二氧化硫二氧化硫48万万吨，造成严重的吨，造成严重的环境污染环境污染和巨大的和巨大的经济损失。经济损失。图图1-3 废轮胎危害废轮胎危害第第1章章 绪论绪论国家2010年年2011年年2012年年美洲国家510.1529.1549.1欧洲国家461501.4522.9俄罗斯74.679.283.7非洲/中东4038.740.9中国808.8852.7879.8亚洲其他国家705.7731.5772.1合计248625852717.5增长率/%15.745.1表表1-1 2010-2012年世界橡胶消费量（年世界橡胶消费量（104 t）1

4、.3 废轮胎的来源废轮胎的来源图图1-5 轮胎结构图轮胎结构图图图1-6 轮胎橡胶化学组成轮胎橡胶化学组成图图1-4 数量巨大的机动车辆数量巨大的机动车辆第第1章章 绪论绪论1.4 废轮胎的资源化利用废轮胎的资源化利用图图1-7 废轮胎的资源化利用方式废轮胎的资源化利用方式1.5 废轮胎热解工艺废轮胎热解工艺 第第1章章 绪论绪论1.6 技术路线技术路线图图1-8 技术路线技术路线第第2章章 利用热分析研究废轮胎胶粉的热解特性利用热分析研究废轮胎胶粉的热解特性2.1 热分析热分析 热重实验采用的仪器为法国热重实验采用的仪器为法国Setaram公司的公司的TGA92热综合分析仪。温度范围：热综合

5、分析仪。温度范围：RT1600，升温速率：，升温速率：0100/min，冷却时间：，冷却时间：25分钟（分钟（1600-100），称），称重范围：最大重范围：最大20克，天平解析度：克，天平解析度：0.02g，测量气氛：惰性，氧化，静态，真空，测量气氛：惰性，氧化，静态，真空，可抽真空。可抽真空。 图图2-1 废轮胎胶粉废轮胎胶粉 图图2-2 生物质粉末生物质粉末2.2 实验样品实验样品 本章以胶粉和松木屑颗粒为研究对象，粒径均为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，如图2-1和和2-2所示。表所示。表2-1分别为胶粉与生物质的工业分析和元素分析。分别为胶粉与生物质的

6、工业分析和元素分析。第第2章章 利用热分析研究废轮胎胶粉的热解特性利用热分析研究废轮胎胶粉的热解特性2.2 实验样品实验样品原料种原料种类类工业分析工业分析(%)元素分析元素分析(%)MadVadAadFCadCHNSO生物质6.2578.950.7614.0452.35.820.24038.81废轮胎2.0067.505.3025.2088.568.270.411.431.33表表2-1 废轮胎与生物质的工业分析和元素分析废轮胎与生物质的工业分析和元素分析2.3 实验内容实验内容采用轮胎胶粉、以及胶粉与生物质采用轮胎胶粉、以及胶粉与生物质1:1的混合物作为实验样品，用量均为的混合物作为实验样

7、品，用量均为10 mg；采用高纯氮气；采用高纯氮气( (99.999 %) )作为载气，其流量为作为载气，其流量为100 ml/min；升温速率为；升温速率为10 /min、50 /min和和100 /min。将样品以不同的升温速率由室温加热至。将样品以不同的升温速率由室温加热至至至1000 ，并恒温，并恒温30 min。2.4 结果和讨论结果和讨论图图2-3 胶粉在胶粉在10 /min的升温率下热重曲线的升温率下热重曲线图图2-4 胶粉在胶粉在50 /min的升温率下热重曲线的升温率下热重曲线图图2-5 胶粉在胶粉在100 /min的升温率下热重曲线的升温率下热重曲线图图2-6 升温速率对胶

8、粉热解升温速率对胶粉热解TG曲线的影响曲线的影响第第2章章 利用热分析研究废轮胎胶粉的热解特性利用热分析研究废轮胎胶粉的热解特性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（%）nAE（kJ/mol）REm(kJ/mol)废轮胎23039545.761/31.99E+0845.860.997943.2439549747.3211.02E+0838.730.99894976686.8222.09E+1560.210.9977表表2-2 废轮胎热解动力学参数废轮胎热解动力学参数图图2-7 在在10 /min的升温速

9、率下胶粉的升温速率下胶粉和混合物的失重和混合物的失重TG曲线曲线图图2-8 在在10 /min的升温速率下胶粉的升温速率下胶粉和混合物的失重和混合物的失重DTG曲线曲线第第2章章 利用热分析研究废轮胎胶粉的热解特性利用热分析研究废轮胎胶粉的热解特性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第3章章 废轮胎胶粉与生物质管式炉共热解实验研究废轮胎胶粉与生物质管式炉共热解实验研究3.1 实验装置图图3-1 管式炉结构简图管式炉结构简图图图3-3 气体净化系统气体净化系统图图3-2 管式炉管式炉 3.2 实验样品实验样品 本实验使用的胶粉和生物质同本实验使用的胶粉

10、和生物质同2.2.1中实验样品，其元素分析和工业分析中实验样品，其元素分析和工业分析见表见表2-1废轮胎与生物质的工业分析和元素分析。废轮胎与生物质的工业分析和元素分析。3.3 实验内容实验内容第第3章章 废轮胎胶粉与生物质管式炉共热解实验研究废轮胎胶粉与生物质管式炉共热解实验研究1纯生物质在纯生物质在700 、800 、900 、1000 时的热解特性时的热解特性2胶粉质量含量为胶粉质量含量为25%的混合原料，分别在的混合原料，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，热解温度为胶粉与

11、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混合物中胶粉质量含量分别为0、25%、35%、50%3.4 结果和讨论结果和讨论图图3-4 温度对生物质热解产物产率的影响温度对生物质热解产物产率的影响图图3-5 温度对温度对H2、CO、CH4的影响的影响图图3-6 温度对生物质热解气热值的影响温度对生物质热解气热值的影响第第3章章 废轮胎胶粉与生物质管式炉共热解实验研究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、温度升高，气体产率增加，液体、固体产率减少。固体产率减少。温度升高，温度升高， H2含量增加，含量增加，CO略略有增加，有增加，CH

12、4先增后减。先增后减。温度升高，气体热值先增后减，温度升高，气体热值先增后减，900热值最大。热值最大。3.4 结果和讨论结果和讨论图图3-7 温度对混合物热解产物产率的影响温度对混合物热解产物产率的影响图图3-8 温度对温度对H2、CO、CH4的影响的影响图图3-9 温度对热解气热值的影响温度对热解气热值的影响第第3章章 废轮胎胶粉与生物质管式炉共热解实验研究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、温度升高，气体产率增加，液体、固体产率减少。固体产率减少。温度升高，温度升高， H2含量增加，含量增加，CO、CH4变化趋势不明显。变化趋势不明显。温度升高，气体热值先

13、增后减，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。且比生物质热解气热值高很多。3.4 结果和讨论结果和讨论图图3-10 胶粉质量含量胶粉质量含量对产物产率的影响对产物产率的影响图图3-11 胶粉质量含量胶粉质量含量对对H2、CO、CH4的影响的影响图图3-12 胶粉质量含量对热解气热值的影响胶粉质量含量对热解气热值的影响第第3章章 废轮胎胶粉与生物质管式炉共热解实验研究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、胶粉增多，气体产率减少，液体、固体产率增加。固体产率增加。胶粉增多，胶粉增多， H2、CH4含量增加，含量增加，CO减少。减少。胶粉增多，气体热值

14、呈明显的增胶粉增多，气体热值呈明显的增加趋势。加趋势。第第4章章 废轮胎热解中试工艺系统设计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（H2、CH4、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）碳的氧化反应 C + O2 CO2 + 408.8 kJ/mol 2C + O2 2CO + 231.4 kJ/mol（2）碳与水蒸汽的反应碳与水蒸汽的反应 C + H2O CO + H2 - 131.39kJ/mol

15、 C + 2H2O CO2 + 2H2 - 90.196kJ/mol（3）碳与二氧化碳反应）碳与二氧化碳反应 CO2 + C 2CO - 162.41kJ/mol（4）甲烷生成反应）甲烷生成反应 C + 2H2 CH4 + 74.9 kJ/mol CO + 3H2 CH4 + H2O -206.2kJ/mol图图4-1 废轮胎与生物质热化学转化示意图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热解系统及热解炉设计方案图图4-2 热解系统流程图热解系统流程图图图4-3 热解炉结构示意图热解炉结构示意图1-水夹套进口；水夹套进口；2-水夹套；水夹套；3-水槽；水槽；4-水槽溢流口

16、；水槽溢流口；5-安全栓；安全栓；6-炉盖；炉盖；7-热解气出口；热解气出口；8-热电偶接口；热电偶接口；9-进气口；进气口；10-灰箱灰箱1-鼓风机；鼓风机；2-玻璃转子流量计；玻璃转子流量计；3-热解炉；热解炉；4-一号燃烧一号燃烧器；器；5-二号燃烧器；二号燃烧器；6-引风机；引风机；7-炭虑罐；炭虑罐；8-水洗罐；水洗罐；9-溢水管；溢水管；10-进水管；进水管；11-灰箱灰箱第第4章章 废轮胎热解中试工艺系统设计废轮胎热解中试工艺系统设计4.3 热解炉设计热解炉设计图图4-4 185/60R14 82H型轮胎外形尺寸型轮胎外形尺寸 图图4-5热解室内轮胎放置示意图热解室内轮胎放置示意

17、图 热解炉主要参数如下，设计温度为热解炉主要参数如下，设计温度为800 ，炉顶水封压力为，炉顶水封压力为1.96 kPa，设计进气，设计进气量为量为3577 Nm3/h，可调节空气当量比，可调节空气当量比0.150.3，出气量为，出气量为70200 Nm3/h，热解室内，热解室内径径650 mm，有效装料高度，有效装料高度740 mm，生物质最大装料量，生物质最大装料量55 Kg。图图4-6 反烧式固定床热解炉反烧式固定床热解炉第第4章章 废轮胎热解中试工艺系统设计废轮胎热解中试工艺系统设计第第5章章 整胎与生物质共热解中试实验研究整胎与生物质共热解中试实验研究5.1 实验装置实验装置图图5-

18、1 废轮胎和生物质共热解系统废轮胎和生物质共热解系统5.2 实验样品实验样品图图5-2 废轮胎原料废轮胎原料图图5-3 生物质生物质原料原料5.3 实验方案实验方案表表5-1整胎与生物质共热解中试实验方案整胎与生物质共热解中试实验方案实验实验轮胎轮胎数量数量轮胎轮胎放置放置生物质生物质（Kg）轮胎质量轮胎质量含量（含量（%）进气量进气量（m3/h）当量比当量比第一组0.5图5-4 a506.89600.23第二组1图5-4 b5012.89600.23第三组1.5图5-4 c5018.17600.23第四组1.5图5-4 c5018.17510.2第五组1.5图5-4 c5018.17380.

19、15第六组0-500600.23第七组2图5-4 d5022.84510.2第八组2图5-4 d5022.84460.18第第5章章 整胎与生物质共热解中试实验研究整胎与生物质共热解中试实验研究5.3 实验方案（a）图图5-4 装料示意图装料示意图（b）（c）（d）第第5章章 整胎与生物质共热解中试实验研究整胎与生物质共热解中试实验研究5.4 结果与讨论结果与讨论图图5-7 轮胎质量含量对热解气中轮胎质量含量对热解气中CH4的影响的影响图图5-8 轮胎质量含量对热解气热值的影响轮胎质量含量对热解气热值的影响图图5-5 轮胎质量含量对热解气中轮胎质量含量对热解气中H2的影响的影响图图5-6 轮胎

20、质量含量对热解气中轮胎质量含量对热解气中CO的影响的影响第第5章章 整胎与生物质共热解中试实验研究整胎与生物质共热解中试实验研究当量比为当量比为0.23时，时，轮胎增多，轮胎增多， H2、 CO、 CH4、燃、燃气热值都气热值都会增加。会增加。5.4 结果与讨论结果与讨论图图5-12 空气当量比对热解气热值的影响空气当量比对热解气热值的影响图图5-9 空气当量比空气当量比对热解气中对热解气中H2的影响的影响图图5-10 空气当量比空气当量比对热解气中对热解气中CO的影响的影响第第5章章 整胎与生物质共热解中试实验研究整胎与生物质共热解中试实验研究图图5-11 空气当量比空气当量比对热解气中对热

21、解气中CH4的影响的影响当量比在0.15-0.23之间变化时，H2、CH4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/Nm35.4 结果与讨论结果与讨论（轮胎处理效果）（a）轮胎）轮胎0.5个个 ER=0.23图图5-13 不同条件下轮胎处理效果不同条件下轮胎处理效果（b）轮胎）轮胎1个个 ER=0.23（c）轮胎）轮胎1.5个个 ER=0.23（d）轮胎）轮胎1.5个个 ER=0.20（e）轮胎）轮胎1.5个个 ER=0.15 （f）轮胎）轮胎2个个 ER=0.20（g）轮胎）轮胎2个个 ER=0.18第第5章章 整胎与生物质共热解中

22、试实验研究整胎与生物质共热解中试实验研究第第6章章 结论与展望结论与展望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：）热分析结果表明，废轮胎的热解过程可分为四个阶段：干燥阶段干燥阶段（温度范围（温度范围30160 ），失），失重量约占总质量的重量约占总质量的3%；热解初始阶段热解初始阶段（160230 ），有微小失重；），有微小失重；主要热解阶段主要热解阶段（230495 ），），该阶段反应剧烈，失重量达到该阶段反应剧烈，失重量达到48.2%；半焦缩聚反应阶段半焦缩聚反应阶段(4951000 )，以缩聚反应为主，以缩聚反应为主，就是剩就是剩余固体转化成焦炭，余固体转化成焦

23、炭，失重量约为失重量约为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，）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，但是生物质的共热解是可行的，但是整胎热阻和气阻较大整胎热阻和气阻较大，生物质比轮胎更易热解生物质比轮胎更易热解，使得轮胎完全热，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%增大至增大至18.17%时，对应的时，对应的气体热值由气体热值由5.4 MJ/Nm3增大至增大至6.7 MJ/Nm3；本装置的床层布置要求顶层和底层；本装置的床层布置要求顶层和底层生物质厚度都不小于生物质厚度都不小于150mm，废轮胎的，废轮胎的质量含量最大值为质量含量最大值为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）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