高爐噴吹廢塑料的燃燒特性研究

1國外廢塑料利用技術的研究隨著工業化進程的加快，殘余塑料污染已成為世界的主要破壞。近年來,各國相繼開發了廢塑料綜合利用技術,但這些方法都有不可克服的缺陷。而將廢塑料代替煤粉噴入高爐作為處理廢塑料的一種有效手段在國外已研究多年,并已取得實質性進展。在我國至今還無這方面的研究報導,筆者作了廢塑料和噴吹用煤粉的一系列特性的對比研究,希望能拋磚引玉,加快我國在這方面的研究步伐,早日實現高爐噴吹以塑代煤。2實驗計劃和方法2.1塑料與煤粉的燃燒特性把不同品種的廢塑料及煤粉在空氣中燃燒,通過尾氣成分分析比較廢塑料與煤粉的燃燒特性。試樣:№1農用地膜(聚乙烯)№2泡沫塑料(醋酸纖維素)№3包裝用料(聚苯乙烯)№4混合塑料(№1+№2+№3)/3№5高爐噴吹煤粉(馬鋼二鐵廠用煤)2.2燃燒試驗(1)尾氣成分測定本試驗采用靜態法,用瓷舟裝入定量的廢塑料粒,推入橫狀的電阻爐中部,密封,通入30L/h的空氣,以約100℃/min速度升溫。使廢塑料燃燒,將尾氣清洗后通入CO,CO2紅外線分析儀,測定尾氣成分。每個樣品試驗兩次,以取其中一組作為結果。電爐采用硅碳棒電阻爐,最高實驗溫度為1350℃,熱電偶為單鉑銠,爐管用陶瓷管,內徑為20mm,流量計量程160L/h。(2)燃燒與燃燒時間的關系試樣燃燒試驗所得產物氣體成分變化及相應的溫度如圖1~圖5所示。由圖1可以看出,在實驗室條件下,聚乙烯開始燃燒溫度為420℃,激烈燃燒溫度為670℃,根據時間記錄,整個燃燒過程所用時間為3分30秒,由于整個燃燒過程為氣氣反應,燃燒速度快,產生大量還原性氣體。泡沫塑料在較低溫度熱裂解成少量揮發性產物,可燃氣體與O2反應生成少量CO。大部分試樣油品化,隨著溫度升高,油狀物裂解,產物與O2發生燃燒反應,產生大量的CO、CO2。由圖2可以看出,在該實驗條件下,泡沫塑料開始燃燒溫度為430℃,激烈燃燒溫度為720℃,燃燒速度較快,整個燃燒過程時間為4min,燃燒產生的氣體量大,CO2%大,燃燒較完全。由圖3可以看出,在實驗室條件下,聚苯乙烯開始燃燒溫度為420℃,激烈燃燒溫度為680℃,整個燃燒過程耗時3分40秒。由圖4可以看出,混合塑料的燃燒性能與聚苯乙烯相似,只是500~600℃時燃燒產物CO和CO2濃度較圖3高,這是由于聚乙烯燃燒的作用。整個燃燒過程中聚苯乙烯的解聚和燃燒是限制性因素,該試樣著火溫度為420℃,即為聚乙烯的著火溫度。混合塑料激烈燃燒溫度為680℃,與聚苯乙烯激烈燃燒溫度接近。樣品燃燒終了溫度為860℃,即聚苯乙烯終了溫度。故可以認為,樣品間無相互影響。混合塑料燃燒時各組分遵循自身的燃燒特性。整個燃燒過程耗時3分50秒。馬鋼噴吹用煤粉在相同條件下的燃燒試驗所得產物成分變化曲線如圖5所示,約在500℃時氣相中出現少量CO,約在650時出現少量CO2,著火燃燒,約1000℃時氣相中CO2含量達到最高,即此時發生激烈燃燒,煤粉燃燒過程為氣固反應,燃燒完全,尾氣中CO2含量高。由于是氣固反應,燃燒速度較慢。整個燃燒過程耗時6分50秒。由燃燒試驗,我們可以了解廢塑料的燃燒機理:隨著溫度的升高,廢塑料熱解出部分揮發性可燃氣體,從粒子表面向外擴散,在粒子周圍形成空氣與熱解可燃氣體的混合氣層,一旦滿足著火條件,便開始燃燒,如果熱解速度快,則反應面完全穩定在氣相中。廢塑料粒燃燒時大部分為氣-氣相反應,其燃燒速度受物質的熱解速度所控制。煤粉燃燒為多相燃燒反應,其燃燒速度主要受反應界面物質的擴散速度和化學反應速度所控制。通過比較,可以看出,煤的著火點比廢塑料高,燃燒速度較慢。廢塑料燃燒時產生氣體量較大,同時由于是氣-氣相反應,還原氣體含量多。因此,廢塑料噴入高爐產生還原性氣體量最大,對降低焦比效果較好。2.3廢塑料燃燒灰燼的測定(1)測試方法預先稱量坩堝重量。向坩堝內裝入5克試樣。置于功率為1千瓦的電爐上加熱,燃燒完全后,用天平稱量坩堝+灰燼重量,算出灰燼量。(2)試驗結果及分析通過表1看出,廢塑料的燃燒灰分僅為1%~3%,遠遠小于煤粉灰分(約12%)。3燃燒廢塑料的反應條件為(1)廢塑料的燃燒過程為:隨著溫度的升高,廢塑料熱解出部分揮發性的可燃氣體,在廢塑料粒周圍形成空氣與可燃氣體的混合氣層,滿足著火條件即發生氣-氣單相燃燒反應。對于熱解速度快的廢塑料品種,整個燃燒過程為單相反應。而對于裂解較慢的品種,則在油狀物達燃點時,發生液-氣多相燃燒反應。(2)與煤粉相比廢塑料著火點較低,燃燒速度較快,