（化工过程机械专业论文）废旧轮胎胶粉燃烧特性分析及其燃烧数值模拟.pdf

摘要 【废旧轮胎作为种特殊的固体废弃物，不同于一般的城市生活垃圾，很难自然降解。 目前，废旧轮胎的处理主要分为物理回收和化学回收，而其中把废旧轮胎作为燃料使用， 、7 在废旧轮胎的处理中发挥了重要的作用潍文选用某轮胎回收工厂加工的废旧轮胎胶粉 作为研究对象，对废旧轮胎胶粉、煤粉以及二者混合物的热解特性和燃烧特性进行了实 验研究。在此基础上，采用计算流体力学软件f l u e n t 模拟了废旧轮胎胶粉、煤粉以 及废旧轮胎胶粉和煤粉混合物在大型四角切向燃烧炉中的燃烧特性。 通过热重实验，初步研究了废旧轮胎胶粉、煤粉以及废旧轮胎胶粉和煤粉混合物 在氮气气氛下的热解特性，以及升温速率对废旧轮胎胶粉热解性能的影响，获得了热解 厂 过程中试样的反应机理。i 通过分析认为，在废旧轮胎胶粉和煤粉的混合物热解过程中， 废旧轮胎胶粉和煤粉相互影响较小，混合物的热解特性可以用废旧轮胎胶粉和煤粉的热 解特性的线性组合表示，而且在不同温度区间用不同区段的一级反应来描述，均能得到 垒_ 一， 拟和良好的直线关系。1 同时，利用热重分析仅对废旧轮胎胶粉、煤粉以及二者混合物在 ， 空气气氛下的燃烧特性进行了初探，获得了燃烧反应的反应机理，该机理可通过反应速 率方程来表示。同样，在空气气氛下废旧轮胎胶粉和煤粉的混合物燃烧特性可以用单组 分的物质燃烧特性的线性组合表示，而且在不同燃烧区段，反应可以用一级反应来描述。 四角切向燃烧炉是火力电厂的重要设备之一，本文采用计算流体力学软件f l u e n t 分别模拟废旧轮胎胶粉、煤粉以及废旧轮胎胶粉和煤粉在不同配比下的混合物在四角切 向燃烧炉中燃烧过程，得到了它们在炉内燃烧的温度场分布、速度场分布以及c o 和 c 0 2 等产物的分布。通过数值模拟发现，炉膛区域的平均温度随着混合物中煤粉比例的 增大而下降，其中单烧胶粉时，炉膛平均温度最高；分析c o 的分布发现在燃烧炉的出 口处没有c o 出现，这说明生成的c o 都完全燃烧了，在炉膛中产生的c o 总量也是随 着燃料中煤粉比例的增大而下降；分析c 0 2 的分布发现，单烧胶粉时，产生c 0 2 量最 多，在燃烧胶粉和煤粉混合物时，随着混合物中煤粉比例增大，c 0 2 生成量呈下降趋势； c o ，c 0 2 和0 2 的质量浓度分布和温度分布有很大关系，高温区对应着高的c o 质量浓 度和低的0 2 、c 0 2 质量浓度；从速度分布图可以看出，在炉膛内存在强烈的旋流，旋 流强度自底到上由弱到强，然后减弱，但到达出口时还存在残余旋流。 另外，本文还对废旧轮胎胶粉燃烧时n o 的生成进行了数值模拟，通过模拟发现， 随着混合燃料中煤粉比例的增大，n o 排放量呈现减少的趋势；最后分析了影响n o 生 成的几个因素。 通过模拟计算分析可见，把废旧轮胎胶粉和煤粉混合物作为燃料用于四角切向燃烧 炉是可行的，但也发现在它们燃烧过程中n o 的排放量比单烧煤粉时产生的n o 多，在 实际使用中要注意废旧轮胎胶粉和煤粉之间的比例搭配。 关键词：废旧轮胎胶粉热船特性燃烧特性四角切向燃烧炉数值模拟 h a b s t r a c t a sas p e c i a lk i n do fw a s t es o l i d ，w a s t et y r ed i f f e r sf r o mc o m m o n m s w ( m u n i c i p a l s o l i d w a s t e ) i tc a l ln o td e g r a d es p o n t a n e o u s l ya n di s n ts u i t a b l ef o rl a n d - f i l l i n gb e c a u s eo fi t sl a r g e c a p a c i t ya n dl o wd e n s i t y a tp r e s e n t ，t h et r e a t m e n t so fw a s t et y r ec a nb ei n c l u d e da sp h y s i c a l m e t h o d sa n dc h e m i c a lm e t h o d s ，a n dt d f ( t i r e d e r i v e df u e l ) p l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h e w a s t et y r et r e a t m e n t t h i sp a p e ra i m sa t e n h a n c i n gt h ef u n d a m e n t a lu n d e r s t a n d i n go ft h e c o m b u s t i o nb e h a v i o ro f p u l v e r i z e dw a s t et y r e s a n du s i n gac f d s o f t w a r ef l u e n tv 6 1 i8 ， c o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c sw e r e i n v e s t i g a t e di nat a n g e n t i a l l yf i r e df u m a c e i nt h i sp a p e rat h e r m o - g r a v i m e t r i ca n a l y z e r ( t g a ) w a su s e da se x p e r i m e n t a lm e a n s i na t h e r m o - g r a v i m e t r i ca n a l y z e r , as e r i e so fe x p e r i m e n t sw e r ec o n d u c t e d t h ep y r o l y s i st e s t so f p u l v e r i z e d w a s t et y r ea n dp u l v e r i z e dc o a li na ni n e r t a t m o s p h e r eo fn i t r o g e ng a s w e r e c o n d u c t e d r e s p e c t i v e l y a n dt h e n t h e c o p y r o l y s i s t e s t so fp u l v e r i z e dw a s t e t y r e a n d p u l v e r i z e dc o a l i na ni n e r t a t m o s p h e r eo fn i t r o g e ng a sw e r ea l s oc o n d u c t e da t d i f f e r e n t p r o p o r t i o n i n g t h ee x p e r i m e n tr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ei n t e r a c t i o no fp u l v e r i z e dw a s t et y r e a n dc o a la td i f f e r e n tp r o p o r t i o n i n gd u r i n gt h ec o - p y r o l y s i sp r o c e s sc a nb ei g n o r e d i ti s s u g g e s t e d t h a tt h ek i n e t i ca n a l y s i si np y r o l y s i sc a l lb eh a n d l e dw i t hf i r s to r d e rr e a c t i o n i tc a n b ec o n c l u d e dt h a tt h ep y r o l y s i sc h a r a c t e r i s t i c so fm i x t u r e so fp u l v e r i z e dw a s t et y r ea n d p u l v e r i z e dc o a li nt g a c a nb e e x p r e s s e db y t h ep l u so f p y r o l y s i sc h a r a c t e r i s t i c so fi n d i v i d u a l c o m p o n e n t so f t h em i x t u r e a n da l s o ，i nt h et h e r m o g r a v i m e t r i ca n a l y z e r , i na i r , c o m b u s t i o n s t u d i e so ns i n g l ef u e lp a r t i c l e sa n dm i x e df u e lw e r ec o n d u c t e da ta h e a t i n gr a t eo f1 0 k m i n t h ec o m b u s t i o na c t i v a t i o ne n e r g ya n df r e q u e n c yf a c t o ra r eo b t a i n e d i ti ss u g g e s t e dt h a tt h e k i n e t i ca n a l y s i si nc o m b u s t i o nt h es a m p l e sc a nb eh a n d l e dw i t ht h ef i r s to r d e rr e a c t i o n u s i n gac f d s o f t w a r ef l u e n tv 6 1 18 ，a l le u l e r i a n l a g r a n g i a na p p r o a c hw a se m p l o y e d t o i n v e s t i g a t en u m e r i c a l l y t h ef l o wf i e l d ，h e a tt r a n s f e ra n dc o m b u s t i o n p r o c e s s i na t a n g e n t i a l l yf i r e df u r n a c e s i xd i f f e r e n tc a s e sw e r es i m u l a t e d t h ed i s t r i b u t i o n so f t h ev e l o c i t y , t e m p e r a t u r e ，c o ，0 2 ，c 0 2w e r eo b t a i n e d a n d a n a l y z e d b e c a u s eh e a t i n gv a l u eo f t i r e d e r i v e d f u e li sh i g h e rt h a nt h a to fc o a l ，t h ea v e r a g et e m p e r a t u r eo fm i x t u r e si nt h ef u r n a c ed e c r e a s e s g r a d u a l l yw i t ht h ei n c r e a s i n g o ff r a c t i o no fc o a li nt h em i x t u r e s ；b yi n v e s t i g a t i n gt h e d i s t r i b u t i o n so fc oa n dc 0 2 ，i tc a nb ec o n c l u d e dt h a tt h ea m o u n to fc oa n dc 0 2i nt h e f u r n a c ed e c r e a s e s 、i t ht h ei n c r e a s i n go ff r a c t i o no fc o a lb e c a u s eo ft h ed i f f e r e n tcc o n t e n t a n dd i f f e r e n tv o l a t i l em a t t e r c o n t e n t ；a n da l s o t h ed i s t r i b u t i o no fc o ，0 2a n d c 0 2 c o n c e n t r a t i o na l es t r o n g l yr e a l a t e dt ot h et e m p e r a t u rf i e l d ；i tc a nb es e e nt h a tf r o mb o t t o mt o t o p ，t h ei n t e n s i t yo f as w i r lf i r s t l ys t r e n g t h e n sa n dt h e nw e a k e n s ，b u tr e s i d u a ls w i r ls t i l le x i t s a tt h ee x i to f t h ef u r n a c e ， i na d d i t i o n ，t h ey i e l d i n go f n ow a sa l s os i m u l a t e d ，t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ea m o u n to f n od e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s i n go ff r a c t i o no fc o a li nt h em i x t u r e a tl a s tt h ei n f l u e n c i n g f a c t o r sw h i c ha f f e c tt h ey i e l d i n go f n ow e r ea n a l y s e d i ti sf e a s i b l et ou s e p u l v e r i z e d w a s t et y r ea sak i n do fs u p p l e m e n t a r yf u e li na t a n g e n t i a l l y f i r e df u r n a c eb yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n b u tt h em i x e df r a c t i o ns h o u l db e c o n t r o l l e d k e y w o r d s ：w a s t et y r e ，p y r o l y s i s c h a r a c t e r i s t i c s ，c o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c s t a n g e n t i a l l yf i r e df u r n a c e ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 第一章绪论 1 1 引言 能源节约与资源综合利用是经济和社会发展的一项长远战略方针。“十五”期间， 国家把实施可持续发展战略放在更加突出的位景。实施可持续发展战略要求节约资源、 保护环境，正确处理好经济发展与资源、环境的关系。根据世界能源委员会( w e c ) 干h 国 际应用系统分析研究所( i i a s a ) 分析f 1 ，虽然全球化石能源最终可采储量至少还可供人 类使用1 0 0 年，但开采成本较低的储量将在2 l 世纪后期耗尽。中国石油资源的保证前 景也十分严峻，据专家分析，国内石油产量估计2 0 2 0 年前后达到峰值，年产约1 8 亿 升，此后逐年下降，到2 0 5 0 年降到不足1 亿升，而届时石油需求将达到5 亿升以上。 我国现有重点煤矿区一级经济储量( 交通、煤质、地质和开采条件优良) 仅5 0 0 亿吨， 2 0 0 0 2 0 5 0 年全国煤产量的增长，3 4 以上要靠晋、陕、蒙和新、甘、宁、青地区【”。能 源紧缺，成了世界性的问题。各国都在积极开展新能源的研究工作，以补充能源的不足。 发达的汽车工业技术和四通八达的公路网络，使人们生活变得便利的同时，也产生 了新的烦恼，即导致大量的废旧轮胎产生。目前全世界轮胎废弃量约9 0 0 万吨年，其 中我国每年产生废旧轮胎5 0 0 0 多万条【2 】。 废旧轮胎作为固体废弃物来源之一，不同于一般的城市生活垃圾，其主要成分是为 不易降解的高分子材料。废旧轮胎所带来的环境问题已经引起国内外环境保护工作者的 重视，都在积极探索处理废旧轮胎的新方法，目前，处理废旧轮胎的方法大致有以下几 种口1 9 ：1 ) 直接掩埋；2 ) 整体翻新；3 ) 高温热解；4 ) 再生胶和制作胶粉；5 ) 直接 用作燃料；6 ) 用于民用工程；7 ) 气化处理；8 ) 生物降解。 随着汽车工业的发展，废旧轮胎产生量将会大幅度上升，如何处理大量的废旧轮胎， 是今后我国面临的一个重要的环境与资源利用的问题。因此，有必要探索新的资源化、 环保化的处理方法。其中燃烧热利用不失为一种好的处理方法。本章着重介绍国内外对 于废旧轮胎衍生燃料t d f ( t i r e - - d e r i v e df u e l ) 的研究。 1 2 废旧轮胎衍生燃料t d f ( t i r e d e r i v e df u e l ) 轮胎主要的化学成分是天然橡胶和合成橡胶，除此之外，轮胎还含有许多氢碳物质 包括苯乙烯、丁乙烯、共聚物、丁基、异氧聚丁二烯、钢、玻璃纤维、尼龙、人造纤维、 聚酯、锌氧化物、硬脂酸、硫磺、色素及炭黑等。表1 1 【6 1 给出轮胎常用橡胶的化学结 构，表1 2 2 0 1 给出了典型的废旧轮胎的化学组成。 表i - 1 常用橡胶的结构 t a b l e1 1t h ec h e m i c a ls t r u c t u r eo f s e v e r a lr u b b e r s 名称结构 天然橡胶n r ( n a t u r er u b b e r ) 丁苯橡胶s b r ( s t y r e n eb u t a d i e n er u b b e r ) 顺丁橡胶b r ( b u t y lr u b b e r ) c h 3 一j hc h 3 - ! 一j h v c h 厂。、c h 2 一c u r 。、c h 2 一c h 2 c h 厂c h c h c h2 c h c h2 o h r 一，h c h 2 。 c h2 初略分析 详细分析 挥发性物质 固定碳 灰分 水分 碳 氢 氧 硫 氮 氯 7 9 7 8 46 9 1 4 3 9 1 1 4 7 4 5 0 6 0 0 3 0 0 1 5 0 o5 0 10 0 铅 m e ：g k g 5 1 5 0 锌m e g k g 4 5 5 0 0 痕量金属 砷m g k g 2 9 0 钙m g k g 4 8 0 汞m g k g o 3 0 垫焦 二 ! ! ! 堕型翌一 与煤比较，废旧轮胎具有更高的热值( 2 9 3 7 m j k g ) ，因而被认为是一种很有吸引力 的潜在燃料，作为燃料处理利用无疑是有前途的洁净工艺方法。表l 一3 和表卜4 【2 i 】是 一 卢u 一 一： 罨、h t d f 与几种燃料的对比。从表1 3 和表1 - 4 可以看出，把废旧轮胎作为燃料使用有其得 天独厚的优势，其热值高，挥发分比例大，燃点较低，含硫、氮等物质很少。 表1 - 3t d f 与煤的比较 表卜4 几种燃料的分析 t a b l e1 - 3 c o m p a r i s o no f a v e r a g ef u e l t a b l e1 - 4 c o m p a r i s o no f a l t e r n a t ef u e lp r o p e r t i e so f c o n s i t u t u e si nt d fa n dc o a l c o a l ，t d f , r e f u s ea n dw o o dc h i p s 生煤t d f r d f 木屑 挥发物质( )3 0 65 4 35 4 o4 9 7 固定碳( ) 4 682 2 4i o ol o 8 水分( )6 68 62 4 03 9 1 灰份( ) 1 6 01 4 81 2 00 4 硫( ) o 8 51 20 2o 0 2 热值 2 7 1 62 9 2 313 7 21 19 5 1 坚! ! 堑1 1 2 1 世界各国利用t d f 情况简介 美 1 4 1 ：1 9 9 7 年废旧轮胎作为热能燃烧利用占总废旧轮胎回收量的6 4 ，是废旧 轮胎利用的主要方法。根据长期提倡使用t d f 的古德伊尔橡胶公司提供的数据，1 9 9 7 年初，在美国有1 0 7 个用轮胎作燃料的工厂，另有9 6 个在做燃烧实验。这些地方包括 水泥厂、石灰厂、造纸和纸浆厂、电厂、铸造厂及冶炼厂。根据提交给华盛顿环保局的 试验报告，燃用t d f 的气体排放要低于燃烧传统燃料。2 0 0 1 年美国产生废轮胎1 8 1 亿 条，作燃料的达1 1 5 亿条，现在美国用废旧轮胎发电量占全国电量的l 。 日本口 ：在日本热利用是其主要的利用方式，主要用来烧制水泥、发电、供热等。 1 9 9 7 年，热利用占废轮胎产生量的5 l 。2 0 0 0 年增加到5 9 ，其中仅烧制水泥一项就 处理了废旧轮胎3 6 1 万吨，占年产生量的3 5 。由于日本的煤炭和石油基本上靠进口， 用来烧制水泥和发电的成本较高。而废旧轮胎的收购价格非常低廉，甚至是倒贴处理费， 因此用废旧轮胎来烧制水泥，经济效益十分好，不但可以部分代替日本短缺的煤炭和石 油，而且轮胎中的硫磺和钢丝在烧制过程中转变为水泥熟料成分石膏和氧化铁，不会影 响产品的质量。另外，将废旧轮胎作燃料用于水泥窑中，废旧轮胎直接燃烧利用无二次 污染、不影响水泥质量。三菱水泥、日本水泥和住友大阪水泥等几家大型水泥制造厂家， 大量使用废旧轮胎来烧制水泥。在利用废旧轮胎燃烧发电、供热方面，日本也很成功。 例如，住友橡胶工业公司早在1 9 8 2 年就在名古屋工厂安装了用废轮胎作燃料的锅炉， 处理废旧轮胎7 5 0 k g h ，发电能力为6 3 0 k w h ，还可供蒸汽5 5 t h 。该公司于1 9 9 4 年又 在福岛县的白河工厂设置了经改良的同类型设备，处理废旧轮胎能力相同，但可以燃烧 整条轮胎，不需预先破碎。世界第三大轮胎公司桥石公司研制的用废旧轮胎作燃料 的发电设备，成功地解决了用废旧轮胎燃烧发电时，由于燃烧产生的温度高达1 5 0 0 ， 轮胎内的钢丝熔化粘贴在炉壁上，常常造成燃烧炉故障的难题。该设备用可吸热的沙在 炉内循环，成功的将温度抑制了一半，除开始点火阶段外，可以完全用废轮胎来燃烧发 电。该公司在木县黑矶市的工厂安装了这种设备，可处理废旧轿车轮胎9 0 0 0 条天，发 电5 0 0 0 k w h ，可解决该工厂生产轮胎用电的三成以上。 德卧“j ：有二十家水泥厂在使用废旧轮胎，每年处理能力可以达到2 9 0 ，0 0 0 u y ，另 外有7 5 ，0 0 0 u y 进入热电厂进行处理，占德国年产废旧轮胎的5 0 。 英卧”j ：根据英国的一份橡胶咨询报告，直接焚烧废旧轮胎获得能量是解决大量 废旧轮胎最有希望的方法。迄今英国有至少5 座电厂利用废旧轮胎为燃料。1 9 9 5 年伍 尔弗汉普顿市的轮胎燃料动力发电厂，被称为英国最干净的发电，该电站不排污，每年 可处理2 3 的废旧轮胎，并且在成本上可与常规燃料相媲美。 1 2 2 关于t d f 的研究 t d f ( t i r e d e r i v e df u e l ) 是废轮胎燃料的简称。在西方国家，使用t d f 处理废旧 轮胎的方法十分广泛。使用t d f 主要是一些发电厂，水泥厂等一些大型企业。关于t d f 的研究从上个世纪八十年代就展开了。 早在1 9 7 9 年，普林斯顿轮胎公司与日本水泥公司共同研究了废旧轮胎作为水泥 燃料的技术。废旧轮胎含有的铁、硫是水泥所需要的组分，橡胶及炭黑是可提供水泥烧 制所需要能量的燃料。废旧轮胎中的硫氧化成s 0 2 ，在有金属氧化物存在时进一步氧化 成s 0 3 ，与水泥原料石灰结合生成c a s 0 4 ，变成水泥成分之一，防止了s 0 2 的污染。金 属丝与氧生成f e 0 3 ，进一步与水泥原料c a o 、a l 2 0 3 反应也变成为水泥的组分之一。 由于水泥窑身较长，窑内温度高达1 5 0 0 。c ，轮胎在水泥窑中停留时间长，燃烧完全， 不会产生黑烟及臭气。根据1 9 7 9 年统计资料，采用此方法的水泥厂有2 l 家。 美国奥尔良电力公司 2 1 , 2 2 1 在九十年代初就开始进行把废旧轮胎作为燃料的试验。他 们从四个方面对试验效果进行评估：( 1 ) 能否保证生产的稳定；( 2 ) 能否完全燃烧；( 3 ) 是否对燃烧器产生危害；( 4 ) 是否增加对环境的污染。试验分为三个阶段，逐步增加废 旧轮胎的用量。结果表明试验是成功的。 1 9 9 0 年o h i o e d i s o n f 2 ，2 2 】改造了它的一个多伦多工厂，使它能够燃烧整的废旧轮胎。 他们对燃烧产生的烟气、飞灰和残渣分别进行了分析，通过分析得出如下结论：( 1 ) 粉 尘和s 0 2 的排放量低于e p a 的规定；( 2 ) 随着轮胎比例的增长，s 0 2 、n 0 2 、粉尘和铅 排放量下降。当轮胎占整个燃料的2 0 时，s 0 2 排放量和没有轮胎时候相同，铅的排放 量下降了5 ，粉尘排放量下降了2 8 ，n 0 2 的排放量下降了3 6 ；( 3 ) 锅炉的运行很 稳定；( 4 ) 对飞灰、残渣的过滤水进行检测，符合饮用水标准。 o t t e rt a i l 能源公司【2 1 , 2 2 1 认为燃烧t d f 是有益的，t d f 和褐煤联合燃烧可以保证燃 烧炉的火焰稳定，改善燃烧性能。在长达1 5 个月的试验中遇到唯一问题就是材料的处 理。他们认为只要有技术支持，燃烧t d f 的前途是非常光明的。 w i s c o n s i n 能源和照明公司【2 2 】发展一项计划，把t d f 和印第安纳煤以及p r b 煤进 行联合燃烧，这项计划在美国威斯康星州南部伯洛伊特市的r o c kr i v e r 发电厂进行。 纽约电气公司1 2 2 】在j e n n i s o n 电厂进行燃烧t d f 的试验。测试结果发现，e s p 性能 没有变化，没有黑烟或者其他污染物出现，也没有难闻的气体排放。当燃烧t d f 和煤 粉混合物时s 0 2 排放量下降，其他的排放物质随混合比例改变只是轻微的改变。对炉渣 和飞灰进行分析发现唯一不同的就是在飞灰中锌的含量增加，在炉渣中金属含量增加。 在孟菲斯郊外t v aa l l e n f o s s i lp l a n t i 捌使用旋风锅炉来进行实验。早期利用8 t d f 和煤联合燃烧进行试验，没有出现明显的问题。在9 0 年代中期，又相继做了1 1 次试验 来评估t d f 和煤联合燃烧，以及煤、生物质和t d f 三种物质混合燃烧的效果。在这1 1 次试验中，三次试验没有生物质或者t d f ，这三次试验为评估基准；两次是9 5 煤和 5 t d f 联合燃烧；两次是三种物质混合燃烧( 8 5 煤+ 1 0 生物质+ 5 t d f ，以及8 0 煤+ 1 5 生物质+ 5 t d f ) 。试验主要目的：( 1 ) 研究联合燃烧和三种物质混合燃烧对燃料 仓和燃料处理系统的影响：( 2 ) 对锅炉效率的影响；( 3 ) 对操作稳定性和操作温度的影响； ( 4 ) 对排放物的影响。 肯塔基州电厂【2 3 1 在旋风燃烧器中进行煤粉、t d f 和石油焦炭三种物质混合燃烧的 试验，对飞灰、灰渣进行了分析。 巴西【2 4 ：巴西圣保罗大学的研究人员研究出一种将废旧轮胎充分燃烧、又不污染 环境的新方法，使废旧汽车轮胎变成了理想的燃料。他们在燃烧炉中，放置了一种能耐 1 0 0 0 c 高温的含硅酸盐的瓷制过滤器，在燃烧过程中，9 9 的烟圬和污染物都吸附在空 隙中，消除了对环境的污染。研究发现把废旧轮胎的燃烧分成两个阶段进行，既可使轮 胎得到充分的燃烧，又可减少烟雾中的悬浮物和一氧化碳的释放。 a a t a l 等人【2 5 1 通过和煤粉对比来研究废胎粉的燃烧行为。研究了加热速率，颗粒尺 寸对燃烧的影响。 y i a r m i sa l e v e n d i s 等人对废胎粉燃烧排放物进行了研究，废旧轮胎在不同的燃 烧条件下可以产生以下几种气体：n o 。( n o + n 0 2 ) 、c o 、c 0 2 、s 0 2 以及p a h s ，其中p a h s 是指多核芳香烃。试验采用的废轮胎颗粒为6 0 一2 1 2 p m ，加热气体温度为t 。= 1 1 5 0 。c ， 加热速率为1 0 5 s ，研究当量比中与各种排放物的关系。 c a n d r e w 和p a u lm l e m i e u x t 2 7 研究发现通过循环燃烧t d f 可以减少n o 。的排放 排放量可以减少到原来的6 0 。 f a b r i z i os c a l a 等人 1 7 】利用流化床研究了t d f 的燃烧机理，通过实验和理论分析， 得到了反应的动力学特性。 a n d r e wc o o k 等人2 司研究了在水泥生产厂中使用t d f 对人健康的影响。m p r i s c i a n d a r o i 2 9 1 等人研究了把废旧轮胎作为水泥厂中的补充燃料，对环境的影响，结果 表明：使用t d f 废气排放低于法律规定的排放标准。 r o b e gm j o n e s 叫等人把t d f 作为补充燃料在燃烧炉中进行了研究，发现把t d f 和木屑一起使用，可以强化燃烧，提高燃烧效率。在试验中发现和煤燃烧相比，其排放 物对环境没有不利的影响。 d yc l e u n g 和c lw a n g 二人口1 1 研究了废旧轮胎的热解和燃烧动力学特性，采 用三种试验样品，分别为：橡胶粉末、橡胶纤维和木屑，然后对比三种试样的结果，发 现升温速率对于燃烧过程有着重要的影响，橡胶颗粒尺寸对燃烧没有明显的影响。 j a c o n e s a 等人【3 2 】利用热重分析仪，在加热速率分别为5 k m i n 、1 0 k r a i n 和 2 0 k m i n 下分析废旧轮胎的燃烧行为，得到燃烧动力学模型。研究结果表明，废轮胎在 有氧存在的情况下，失重过程大致可以分为四步：( 1 ) 油分的分解；( 2 ) 天然橡胶( n r ) 的分解；( 3 ) 苯乙烯一丁二烯( s b r ) 的分解：( 4 ) 碳黑和其他材料的燃烧。 a r i s a 、v a 和b r i l l 3 3 】认为，在不同的加热速率下几个竞争性反应的出现能导致聚合体 分解特性的改变。 中国的汽车工业起步较晚，以前对于废旧轮胎所带来的巨大危害没有给予足够的重 视，现在已意识到这个问题，在国家经贸委制订再生资源回收利用“十五”规划 3 4 1 中 指出，“十五”将制订废旧轮胎回收利用管理办法，将再生资源回收利用逐步纳入法 制化管理的轨道，同时要认真落实国家鼓励再生资源回收利用的有关政策。 国内尚未开展关于t d f 的研究，但已有人意识到t d f 的潜力，认为在中国研究 t d f 是一项很有经济和社会价值的项目。国内的一些水泥生产企业也开始把目光投向 废旧轮胎，如：江西水泥“十五”生产规划中提到【”l ：“今后要引进和消化国内外 研究开发出的利用城市建筑垃圾、生活垃圾、废油、废轮胎等作为燃料的先进技术，进 一步开发完善劣质能源、工业废弃物在水泥生产中应用的新技术、新工艺，在保证水泥 产品质量的前提下，使水泥生产逐步向节能、利废、环保方向发展，成为可持续发展的 “绿色工、i k ”。 1 3 本文研究内容 如前所述，关于t d f 的研究主要集中在发达国家，目前国内还没有开展t d f 的研 究。本文的研究就是立足于废旧轮胎衍生燃料燃烧热利用的基础性研究，采用热重分析 方法，研究废旧轮胎胶粉( 以下简称胶粉) 、煤粉以及二者混合物在氮气和空气气氛下 的热解和燃烧特性，分析在胶粉和煤粉混合物热解和燃烧过程中胶粉和煤粉之间是否存 在相互作用，得出其反应机理，获得反应的表观活化能和指前因子；用f l u e n t 软件模拟 胶粉、煤粉以及胶粉和煤粉混合物在四角切向燃烧炉中的燃烧状况，获得胶粉燃烧的一 些基础性参数，为今后实际应用提供相应的指导。本文的研究内容主要有以下几个方面： 1 ) 用热重实验对胶粉的热解动力学进行研究，对其失重特性进行分析，得到其表观活 化能和指前因子，并研究胶粉与煤粉联合热解动力学特性；研究升温速率对胶粉热 解特性的影响； 2 ) 研究胶粉的燃烧特性，对其失重特性进行研究，得到其表观活化能和指前因子，并 研究胶粉与煤粉联合燃烧动力学特性； 3 、用f l u e n t 软件模拟胶粉在四角切向燃烧炉中燃烧的状况，并和煤粉燃烧模拟结果进 行对比，得到其在燃烧炉中的温度分布，速度分布以及产物分布； 4 ) 用f l u e n t 软件模拟不同比例的胶粉和煤粉混合物在四角切向燃烧炉中燃烧状况，分 析混合比例对燃烧的影响； 5 ) 用f l u e n t 软件模拟胶粉、煤粉以及胶粉和煤粉混合物在四角切向燃烧炉中燃烧时 n o 的生成，分析影响n o 生成的因素。 第二章废旧轮胎胶粉、煤粉热解特性分析 把废旧轮胎作为补充燃料，和煤粉混合使用，是一种处理废旧轮胎有效的方法。废 旧轮胎胶粉( 以下简称胶粉) 、煤粉以及二者混合物热解挥发分的释放过程，对于燃烧 有着重要的影响。对其挥发份释放过程的精确描述，有利于燃料的高效利用。很多学者 对胶粉的热解特性进行了研究，由于所使用的样品、仪器以及实验的工况等因素不同， 他们的研究成果各不相同，另外对煤粉和胶粉联合热解方面的研究开展的比较少。本章 就是利用热重分析仪对胶粉，以及胶粉和煤粉混合物的热解特性进行分析并获得热解反 应的动力学参数 热重方法( t h e r m o g r a v i m e t r y ，简称t g ) 是在程序控制温度下，测量物质质量与温度 的一种关系。目前热重方法已经成为热分析中应用最广泛的一种分析技术。热重法根据 程序控制温度的不同分为等温热重法和非等温热重法两种。本文采用非等温热重法对样 品的热解动力学进行研究。 2 1 胶粉、煤粉热解实验 2 1 1 实验仪器 实验仪器是法国s e t a r a m 公司生产的t g - - d t a 9 2 型热重一差热分析仪。 仪器组成：( 1 ) b 9 2 电子微量天平，精度可达o 1pg ；( 2 ) 高温加热炉，温度可以 从室温加热到1 8 7 3 k ，采用水冷却，升温速率最高可以达到9 9 9 9 k r a i n ；( 3 ) c s 9 2 控 制器，主要由c p c 插板和信号获得放大的各种插板组成；( 4 ) p c 9 2 机，它通过c s 9 2 控制器引导t g a 9 2 热分析仪工作，它可以监控温度、实验条件、仪器工作状况，收集、 储存和分析数据；( 5 ) e p s o nl q 一8 6 0 打印机，可以在线打印实验结果；( 6 ) h p 彩色绘 图仪，可以将分析后的实验结果在绘图仪上绘出图线；( 7 ) 提供实验气氛的气源。 仪器主要技术指标：( 1 ) 称量量程：0 - 5 m g ( 或0 - 5 0 m g 、0 - 2 0 0 m g ) ，精度 o 1 u g ； ( 2 ) 差热量程：o 5 0 p v ( 或0 - 5 0 0 u v 、o - 5 m v ) ，差热温度误差 + 2 k 。 2 1 2 实验样品 本次实验所使用废旧轮胎胶粉样品是由南京伟龙环保实业公司提供，胶粉的尺寸 是：0 3 r a m 一0 4 5 r a m ，即1 8 3 0 目，煤粉和胶粉具有相同的颗粒尺寸。表2 一l 为实验样 品的工业分析。 表2 - 1 试样的工业分析 t a b l e2 - lp r o x i m a t e a n a l y s i so f t i r ep o w d e ra n dc o a lp o w d e r 2 1 3 实验内容 本次实验是研究胶粉、煤粉以及胶粉和煤粉在不同配比下的混合物的热解特性。对 于胶粉，实验的加热速率分别为5 k m i n 、1 0 k m i n 和5 0 k m i n ，加热的初始温度为室温， 终止温度为7 5 0 。c ( 1 0 2 3 k ) ，气氛为氮气气氛：对于煤粉以及煤粉和胶粉混合物，实验 加热速率为1 0 k m i n ，加热的初始温度为室温，终止温度为7 5 0 。c ( 1 0 2 3 k ) ，气氛为氮气 气氛。胶粉和煤粉的混合质量比分别为1 ：5 ，1 ：3 ，1 ：2 ，1 ：1 。 2 1 4 实验结果和分析 1 ) 实验结果见图2 。1 和图2 2 。 琶 囊 邑 温度( k ) 图2 - 1胶粉在不同的加热速率下的t g 和d t g 曲线 f i g 2 - 1 t ga n dd t g p l o t so f t i r ep o w d e r a tm u l t i p l eh e a t i n gr a t e s 9 罨 毒 芭 1 仰1 1 温度 卸如枷蝴鲫瑚啪蚴1 仰1 埘 温度 ( a ) t g 曲线( b ) d t g 曲线 图2 - 2 试样加热速率为1 0 k m i n 的t g 和d t g 曲线 f i g 2 - 2 t ga n dd t g p l o t sa th e a t i n gr a t eo f1 0 k r a i na td i f f e r e n tb l e n d i n gr a t i o s 2 ) 结果分析 a 、升温速率对热解的影响 废旧轮胎胶粉在升温速率为5 k m i n 、1 0 k m i n 和5 0 k m i n 时失重曲线( t g ) 和微商热 重曲线( d t g ) 见图2 1 。从图2 1 的三条t g 盐线可以看出，在三个升温速率下，样品 的失重曲线很相似，三条曲线几乎是重叠，但还是能看出失重曲线随着升温速率的提高 而右移，在相同的失重情况下，热解所需要的温度相对较高，但对最终热分解效率影响 不大。 d t g 曲线反映了试样在热分解过程中其质量随着时间或温度变化的规律。从图2 1 的微商热重曲线( d t g ) 和表2 2 ，可以很明显地看出升温速率对样品热解的影响，随着 升温速率的升高，d t g 曲线有规则地变化：d t g 峰由两个向一个演变，反应速率增大。 这说明，升温速率的不同影响着胶粉的热解反应历程。表2 2 为在不同升温速率下d t g 曲线所对应的各个峰值点的数值。 表2 - 2 胶粉在不同升温速率下的峰温和相应失重速率 t a b l e2 - 2t h e p e a kt e m p e r a t u r ea n dw e i g h tl o s sr a t ea td i f f e r e n th e a t i n g r a t e so f t i r ep o w d e r g矗茸日多爹磊口 b 、混合比例对热解的影响 为了研究混合比例对热解的影响，本次实验采用了以下的混合比例，胶粉和煤粉的 质量比分别为：1 ：1 ，1 ：2 ，1 ：3 ，1 ：5 。各个比例在升温速率为1 0 k m i n 下的失重曲线和 微商失重曲线分别见图2 2 ( a ) 和( b ) 。从图2 - 2 ( a ) t g 曲线可以看出，随着煤粉的比例的 增大，失重曲线向右移，在相同的失重情况下，热解所需要的温度相对较高。从图 2 - 2 ( b ) d t g 曲线同样可以看出混合比例对热解的影响，随着煤粉比例的增大，d t g 曲 线发生了明显的改变，在纯胶粉的情况下，d t g 曲线只是有一个明显的峰值，但是随 着煤粉的加入，混合物的d t g 曲线呈现出两个明显的峰值点，煤粉占比例越大，第二 个峰值点越明显，当比例为1 ：5 时，第二个峰值点的失重速率已经超过了第一个峰值点 的失重速率。各峰值点数据见表2 3 。 由单一试样及其混合试样d t o 曲线的形状图2 - 2 ( b ) 以及表2 3 ，可以看到物质单独 热解时的d t g 曲线的各峰在混合物质热解的曲线上基本上都有所体现，而且试样单独 热解时d t g 曲线的峰值对应的温度与混合试样d t g 曲线上的峰值所对应的温度进本 上一致。这个结果说明在热重分析实验中，针对我们所研究的试样，其热解过程并没有 因为试样的混合而显著改变。这个说明组分之间相互作用很小，当组分之间没有相互作 用的时候，混合组分与单组分之间的关系为： 。( t ) = f a ( r ) + 厶( r )