城市生活垃圾和医疗垃圾中存在大量的塑料垃圾,常规垃圾焚烧处理过程中会产生大量二噁英(PCDD/Fs)。本文将化学链燃烧技术与PCDD/Fs的生成机理相结合,提出了利用吸附剂修饰铁基氧载体进行塑料垃圾原位气化化学链燃烧(iG-CLC)的处理方式。本工作依次从化学链燃烧控制PCDD/Fs排放的验证性研究、关键化学反应的动力学、塑料垃圾合成气的批次流化床实验、塑料垃圾iG-CLC的批次流化床实验、以及半连续流化床反应器的设计与实验方面展开了系统的研究。(1)化学链燃烧控制PCDD/Fs排放的验证性研究。首先基于热力学平衡计算分别对氧载体的选择、吸附剂的选择以及脱氯的可行性进行了分析,发现燃料反应器(FR)内铁基氧载体不能自发地与HCl反应进而能够避免氧载体的损耗,三种吸附剂(CaO、K2O和Na2O)均能够满足在FR内自发地与HCl反应生成稳定的氯化物而在AR内该氯化物且不与空气反应。进而可推知,吸附剂与HCl反应生成稳定的氯化物可在反应器内积累。此外,利用微型双床反应器分别进行了塑料垃圾空气条件下的焚烧实验并通过高分辨傅立叶变换质谱仪(FT-MS)检测了铁基氧载体以及吸附剂对尾气中有机物的催化作用,结果证实了铁基氧载体和吸附剂的催化作用并不明显。(2)塑料垃圾iG-CLC过程中关键化学反应动力学研究。以输液管为代表性的塑料垃圾,分别在热重分析仪(TGA)上和批次流化床上进行了非等温热解实验和等温热解实验。TGA结果能够清晰地呈现塑料垃圾的主要热解温度区间,等温批次流化床实验能够更好地减少塑料垃圾颗粒外部传质传热的影响。分别对非等温热解动力学和等温热解动力学的求解,为全面了解塑料垃圾的热解机理提供了有用信息。另外,在TGA实验系统上进行了等温条件下四种氧载体[包括原Fe2O3/Al2O3和三种吸附剂(K2O、Na2O和CaO)修饰的Fe2O3/Al2O3]与合成气的还原反应实验以及随后空气条件下的氧化反应实验。四种氧载体的一步还原反应(Fe2O3向Fe3O4转化)动力学满足3-D growth of nuclei model模型,而氧化过程(FeO向Fe2O3转化)可采用phase boundary-controlled(contracting cylinder)模型描述。(3)塑料源含氯合成气的化学链脱氯实验研究。首先,根据修饰合成氧载体的脱氯效率和合成气化学链燃烧效率依次对吸附剂的种类、修饰方法、负载量和反应温度等实验参数进行了优化,确定了 CaO吸附剂、湿浸渍法、5wt.%负载量以及900℃为最佳的实验参数;在最佳实验参数的条件下进行了六十次循环实验,同时检测了脱氯效率的衰退以及燃烧效率的变化,发现通过稀盐酸对用过的氧载体水洗能够有效地去掉氧载体颗粒表面的Ca元素和Cl元素,并可对用过氧载体进行再次修饰重复使用。其次,考虑天然氧载体与合成氧载体在表面结构的不同,针对相对表面致密的铁矿石的修饰方法进行了进一步地优化,发现超声波浸渍法更有利于CaO粘附和Cl元素的脱除,可作为吸附剂修饰天然铁矿石的最佳方法。(4)塑料垃圾原位气化化学链燃烧实验及PCDD/Fs排放特性研究。首先在批次流化床反应器上进行了塑料垃圾的iG-CLC实验,研究了反应气氛(流化气中水蒸汽浓度)、供氧比、反应温度等对碳转化率、最大转化速率和CO2捕集率的影响,确定了流化气为40vol.%水蒸气/60vol.%N2、供氧比为2.5和反应温度为900℃可作为最佳的实验参数。接下来在优化后的实验参数下进行了合成铁基氧载体有无CaO吸附剂修饰两组条件下的十次循环实验,以传统空气条件下塑料垃圾焚烧实验作为对照组,利用高分辨率色谱-质谱(HRGC/HRMS)对尾气中的17种毒性PCDD/Fs进行了分析,发现当用CaO修饰Fe2O3/Al2O3为氧载体时iG-CLC方式下PCDD/Fs的总量和TEQ分别降低了 88%和75%(当使用原Fe2O3/Al2O3为氧载体时PCDD/Fs的总量和TEQ分别降低了 42%和20%),证实了化学链燃烧方式可有效抑制PCDD/Fs生成。利用甲基橙分光光度法测试了尾气中Cl2产率,发现CaO修饰Fe2O3/Al2O3为氧载体时iG-CLC方式下Cl2产率下降了 82%(当使用原Fe2O3/Al2O3为氧载体时Cl2产率下降了73%),证实了控制作为氯源的Cl2是抑制PCDD/Fs生成的有效途径。为了进一步认识化学链燃烧抑制PCDD/Fs的机理,提出了两个类似的氯取代模型对PCDD/Fs测试结果进行了分析,该结果证实了氯取代过程是PCDD/Fs生成的关键步骤,并且氯取代对PCDDs的生成影响大于PCDFs的生成,由此推知化学链燃烧抑制PCDD/Fs的主要机理是缺O2和还原性气氛降低了 Cl2产率、以及利用CaO吸附剂有效脱氯。(5)基于半连续流化床反应器的塑料iG-CLC实验研究。为了进一步考察塑料垃圾iG-CLC长时间连续运行性能及CaO修饰铁基氧载体的反应性能,设计了模拟串行流化床中燃料反应器的半连续流化床,通过塑料垃圾连续给料以及氧载体定量进料和溢流出料实现氧载体循环流动进行了实验工况的性能测试。利用半连续流化床反应器进行了塑料垃圾的iG-CLC实验,分别研究了床料量、反应气氛、热功率和氧载体质量流量对平均碳转化率和平均CO2捕集率的影响,结果发现,CaO修饰在稳定运行以及CLC性能方面没有引起明显的负面影响,同时通过利用GC-MS对甲苯吸收液进行测试证实了 CaO修饰能够明显抑制氯苯的排放。