聚乙烯熔融盐/碱热解特性分析及设备设计

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近年来,由于能源消耗增加和环境问题的加剧,可再生能源引起了广泛的关注和兴趣。废塑料热裂解得到的热解油是一种前景可观的可再生能源,可以作为替代燃料和化工原料。但是,由于塑料热导率低,在传统的热裂解过程中会出现传热不均、产物收率低等问题。为此,本文以熔融盐/碱作为热载体,在500℃的裂解终温下对高密度聚乙烯(HDPE)塑料热解进行研究。首先利用热重实验方法研究了盐/碱对塑料热解特性的影响,并分析了塑料热解机理,然后在自制反应器中进行塑料在盐/碱中的批量热解实验,并对相关产物进行分析,最后在试验研究的基础上设计了废塑料熔融盐裂解反应釜。本文主要研究工作如下:(1)利用热重分析仪研究了HDPE塑料颗粒在盐/碱中的热解特性,考察了NaOH、KOH、NaOH-Na2CO3、ZnCl2、ZnCl2-KCl五种介质对热解过程的影响,利用Coats-Redfern积分法研究了各条件下热裂解的动力学规律,计算了动力学参数。结果表明:各条件下HDPE热解反应均符合一级反应动力学;相对HDPE单组分热解时,HDPE在盐/碱介质热解的失重温度范围变窄,从405490℃变为435485℃;最大失重速率温度降低510℃,所需活化能降低。(2)使用自制的反应器对HDPE在NaOH、KOH、NaOH-Na2CO3、ZnCl2、ZnCl2-KCl中的慢速热解和快速热解进行了试验研究,考察了裂解终温相同时,同一介质不同热解方式及同一热解方式下不同介质对热解过程和产物产率的影响,并用FT-IR、1H NMR、GC-MS分析技术对产物组分进行定性定量分析。结果表明:盐/碱介质的加入能增加热解油产率,减少固体残渣量;同一介质中,快速热解比慢速热解条件下的热解油产率高,且油中重油组分增加,烯烃组分含量高于烷烃组分;热解油中主要组分为C12C20的链烷烃和链烯烃;在NaOH、KOH中热解得到的热解油为成分复杂的混合物,而在NaOH-Na2CO3、ZnCl2,ZnCl2-KCl中热解得到的热解油为成分较简单的混合物。(3)根据需要处理的废塑料参数,确定了裂解过程所需熔盐量和补偿热量,并对废塑料高温熔融盐搅拌裂解釜的主要零部件进行了设计和选型,主要包括反应釜壳体、加热盘管、搅拌桨、接管、保温层等的结构设计和法兰、机架等的选型。
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