最小化二次反应下聚乙烯热解焦油生成特性

摘要

自从聚乙烯塑料问世以来，由于其具有质轻、强度高、耐腐蚀、易加工等优良性能，在各个领域中都有着广泛的应用，与此同时，聚乙烯塑料的广泛应用也带来了一系列的环境问题。塑料热解不仅可以减少不易降解塑料的容积，还是回收利用石油资源的一个有效方法，在我国现阶段废弃塑料白色污染不断恶化、石油资源对外依赖程度不断加深的背景下，对于聚乙烯热解有必要进行深入研究。
　　本文首先基于固定床管式炉在400℃、450℃和500℃下，对聚乙烯热解20mins。在该反应器下，由于二次反应的存在，热解生成的焦油非最初生成焦油。为了对最终焦油和初生焦油有个直接的对比，在金属网反应器上也设置类似的反应工况，升温速率选择10K/s和100K/s，热解终温为400℃、450℃和500℃，停留时间为30s，将初生焦油和最终焦油的成分进行分类比较。结果发现，在碳原子数目的分布上，金属网反应器下热解焦油的平均碳原子数要大于水平管式炉下的热解焦油；在金属网反应器的500℃热解焦油中检测到15.68％的环类烃，而管式炉热解焦油中未检测到环类烃的存在，这说明在二次反应存在的条件下，环类烃会进一步分解为直链烷烃和烯烃。由此可以认为，在水平管式炉的热解反应中，初生焦油中的环类烃会经过二次反应，重新生成直链烷烃和烯烃，也同样由于二次反应的存在，初生焦油中的一些碳原子数较大的烃发生再次分解生成碳原子数较小的烃。
　　对比研究发现，无论是在焦油产率和焦产率还是在焦油的成分和含量上，聚乙烯热解初生焦油和最终焦油都存在很大的差异，因此进一步展开了对初生焦油生成特性的研究。在金属网反应器上对聚乙烯热解进行了系统的实验，实验选择升温速率为1K/s、10K/s和100K/s，峰值终温为400℃、450℃和500℃，停留时间分别为0.1s、10s和30s，从热解温度、停留时间和升温速率三个影响因素展开了对实验结果的分析。结果表明，100K/s升温速率到不同热解温度停留30s，初生焦油中C≥31(大分子烃)的含量，从400℃下的0%增加到450℃下的3.64%，再增加到500℃下的14.01%。100K/s升温速率到500℃下，在停留0.1s时未检测到C≥31烃，在停留时间10s时C≥31烃含量为10.06%，当停留时间增加到30s时，C≥31烃含量增加到14.01%。因此，聚乙烯热解初期先释放出小分子量的烃，随着热解时间增长会有一部分大分子烃释放出来，且大分子烃更容易在较高温度下释放出来。
　　综上所述，本文提出了聚乙烯热解相关过程如下：
　　①内部碳链的随机断裂；
　　②热解初期小分子烃类释放；
　　③部分大分子烷烃、烯烃的生成；
　　④在较高温度下生成环类烃。

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1 绪 论

1.1 聚乙烯简介

1.2 聚乙烯等塑料的消费和回收

1.3 聚乙烯热解研究现状

1.4 二次反应对聚乙烯热解的影响

1.5 本课题研究内容与目的

2 实验台架介绍及样品分析

2.1 本文实验台架介绍

2.2 几种热解反应器的比较

2.3 聚乙烯样品分析及热解产物分析方法

2.4 本章小结

3 固定床与金属网反应器热解焦油分析及比较

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 固定床热解焦油结果与分析

3.4 最终焦油和初生焦油的对比

3.5 本章小结

4 聚乙烯热解初生焦油生成特性

4.1 引言

4.2 实验方案

4.3 实验结果与分析

4.4 初生焦油生成过程

4.5 本章小结

5 全文总结及建议

5.1 全文总结

5.2 下一步工作建议

致谢

参考文献

附录1 攻读硕士学位期间发表的论文

附录2 攻读硕士期间参与的项目