磁旋转弧等离子体技术处理高分子废弃物的研究

摘要

高分子材料在各行业中得到了非常广泛的应用，但由于其性质稳定、体积大且含有各种添加剂，高分子废弃物比普通城市生活垃圾更难处理，也更具危害。目前高分子废弃物的处理方法主要有分离复用、热解、填埋等，但存在应用范围窄、催化剂要求高、易生成二次污染物等不足。本文利用热等离子体高温、高焓、高反应活性的特点，提出磁旋转弧等离子体裂解处理高分子废弃物的新方法，研究多种不同类型高分子的裂解性能及其规律，得到富含乙炔的产品气，为实现高分子废弃物的无害化和资源化提供了新的可能。
　　本文首先选取了聚乙烯作为直链聚烯烃类的代表物质，系统研究了输入功率、进料速率、工作气体流速及励磁电流对裂解结果的影响。研究表明，在控制体系功率与工作气体流速较低、适当提高进料速率的情况下，以磁旋转弧氢等离子体裂解聚乙烯可以获得乙炔含量在10％以上的产品气，乙炔选择性与收率分别可以达到85％和75％以上，乙炔比能耗仅为15 kWh/kg-C2H2。利用单位比焓理论及H/C比理论分析了裂解规律，揭示了裂解技术指标与比焓及H/C比的相关性。
　　以聚丙烯和聚苯乙烯为代表物质，研究了含有烷基支链和芳香环结构支链的聚烯烃的等离子体裂解性能。研究表明，简单烷基支链的存在对聚合物裂解的影响较小，而芳香结构支链的存在会导致在高功率下出现较为严重的结焦现象，导致产品气的收率降低。其原因在于芳香环结构在较低温度下易于开环断裂形成·CH自由基并参与气化，而在较高温度下则是结焦的前驱体。
　　以聚对苯二甲酸乙二醇酯为代表物质，研究了含氧聚合物的等离子体裂解。研究表明，氧元素在裂解产物中主要以CO的形式存在，CO的形成对乙炔、乙烯等烃类产物的生成有抑制作用，属于竞争关系，特别是在高功率下，CO是稳定性较高的优势产物。同时氧元素的存在对高功率下反应器内的结焦有一定的抑制作用。对于含氧量较高的原料，可以采用非氢等离子体裂解制取合成气。
　　以吉布斯自由能法为原理，利用均相/非均相平衡模型进行了聚合物裂解体系的热力学平衡计算，结果表明，均相模型的计算结果可以较好地体现气态烃类产物的含量随体系温度、体系氢碳比的变化趋势，但不能反映体系结焦的情况;而非均相模型虽然能体现结焦（炭黑）的产生，但是固态碳在碳元素中所占的比重与实验结果存在较大差异。结焦越少的体系，均相模型与实验结果的吻合越好。由于实验装置中淬冷段的存在，产品气中乙炔的含量会有所下降，且生成少部分乙烯、甲烷等在3000～4000K范围热力学平衡状态下不存在的副产物。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 文献综述

1．1 引言

1．2 高分子废弃物的处理技术

1．2．1 废弃高分子制品的回收-循环利用技术

1．2．2 无法再利用的高分子废弃物的处理

1．3 等离子体裂解技术

1．3．1 等离子体技术简介

1．3．2 等离子体技术的应用

1．3．3 等离子体裂解技术

1．4 热等离子体处理高分子废弃物

1．4．1 热等离子体裂解高分子废弃物机理

1．4．2 等离子体裂解高分子废弃物研究进展

1．5 本文的总体思路与研究内容

第二章 磁旋转弧氢等离子体裂解直链聚烯烃

2．1 前言

2．2 实验装置和实验方法

2．2．1 实验装置

2．2．2 实验方法

2．3 实验材料

2．4 实验结果及讨论

2．4．1 输入功率对聚乙烯裂解的影响

2．4．2 进料速率对聚乙烯裂解的影响

2．4．3 工作气体流速对聚乙烯裂解的影响

2．4．4 励磁电流对聚乙烯裂解的影响

2．4．5 单位比焓与H／C比对聚乙烯裂解的影响

2．5 本章小结

第三章 磁旋转弧氢等离子体裂解含支链的聚烯烃

3．1 前言

3．2 实验装置和实验方法

3．3 实验材料

3．4 实验结果及讨论

3．4．1 磁旋转弧氢等离子体裂解聚丙烯

3．4．2 磁旋转弧氢等离子体裂解聚苯乙烯

3．4．3 单位比焓理论及H／C比理论适用性讨论

3．4．4 高分子废弃物裂解体系内结焦机理的讨论

3．5 本章小结

第四章 磁旋转弧氢等离子体裂解含氧聚合物

4．1 前言

4．2 实验装置和实验方法

4．2．1 实验装置

4．2．2 实验方法

4．3 实验材料

4．4 实验结果及讨论

4．4．1 磁旋转弧氢等离子体裂解聚对苯二甲酸乙二醇酯

4．4．2 磁旋转弧氢等离子体裂解含氧量较高的原料

4．5 本章小结

第五章 氢等离子体裂解聚合物的热力学平衡计算

5．1 前言

5．2 热力学平衡计算软件介绍

5．3 热力学平衡计算模型介绍

5．4 热力学平衡计算结果及讨论

5．4．1 纯碳氢体系热力学平衡计算结果

5．4．2 含氧体系裂解热力学平衡计算

5．4．3 热力学平衡计算结果与实际实验结果的比较

5．5 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

作者简历

在学期间所取得的科研成果