废旧含氯塑料热解及其能源利用研究-肖睿

收稿日期:2002-01-30;基金项目:东南大学科学基金资助项目(9250051079);/9730子课题基金资助项目(G19990221053)作者简介:肖睿(1971-),男,湖北监利人,东南大学副教授.文章编号:1001-2060(2003)02-0194-03废旧含氯塑料热解及其能源利用研究肖睿,金保升,章名耀(东南大学教育部洁净煤发电与燃烧重点实验室,江苏南京210096)摘要:存在于城市生活垃圾中的含氯塑料(如PVC等)是造成垃圾焚烧电站设备腐蚀和二次污染的主要因素。本文对利用热重-差分分析仪对氯含量5318%聚氯乙烯(PVC)和无氯高密度聚乙烯(HDPE)以及氯含量10%~46%氯化聚乙烯(CPE)热解特性进行了研究。根据含氯塑料分级热解的实验结果,提出了含氯塑料热解与残余物燃烧的工艺路线,并对基于该工艺路线的概念电站的性能进行了计算和分析。关键词:含氯塑料;热解;燃烧;能源利用中图分类号:X79913文献标识码:A1前言城市生活垃圾焚烧处理技术可实现垃圾的减容化,并可将垃圾中的能源以电能和热能的形式予以利用,因此在国内外得到广泛的应用。但是存在于垃圾中的含氯塑料在燃烧的过程中会释放具有腐蚀氯化氢气体,不仅造成了环境污染,而且引起受热面的腐蚀,特别是高温腐蚀,因此垃圾焚烧电站只能在低蒸汽参数下运行,发电效率只有10%~15%。PVC是垃圾中有机氯的主要来源,国内外有关PVC的热解和燃烧特性的研究较多[1~3],但主要集中于反应动力学方面,对利用含氯塑料独特的热解特性应用于发电和回收HC1的研究较少[4]。本研究以含氯量5312%的PVC,无氯HDPE以及氯含量介于两者之间的CPE(C110%~46%)为研究对象,研究这些不同氯含量的塑料热解失重规律,在此基础上提出处理含氯塑料热解-燃烧集成工艺路线,并对基于该工艺路线的概念电站性能进行了分析。2实验部分试验在一台法国Setaram公司生产的TG-DTA92型热重-差热分析仪上进行。将10mg的样品放入样品皿中,用A-Al2O3作为参照物,采用高纯N2作为载气,由程序设定升温速率、终温和保温时间。试验过程中采用水冷方式,使热天平处于较低的工作温度,热天平自动记录重量变化信号。试验完成后待仪器冷至室温后取出样品。文献[5]分析,升温速率对样品失重的起始温度有一定影响,而对PVC前二阶段的失重份额几乎没有影响,前二阶段的反应在580e左右完成。本研究选择升温速率10ePmin,终温600e,N2流量50mlPmin作为试验条件,研究中采用的样品PVC、HDPE元素分析数据见表1,CPE是HDPE加氯反应合成,其成份与HDPE相比,只是增加了氯的含量而已。表1PVC与HDPE元素分析数据(Wt%)CadHadOadNadSadAadCladPVC33174131-0105012381315312HDPE8516414112-----3热解试验结果与分析氯含量5312%PVC,无氯HDPE以及氯含量10%~46%CPE的恒速升温热解过程的热重曲线如图1所示,其中在热解反应过程中的一些关键数据如反应起始温度、终止温度和关键温度下的失重率等列于表2。由图1的TG曲线可知,随着温度的升高,含氯塑料热解过程出现两个明显的失重过程,而无氯HDPE则只有一个明显的失重过程。以氯含量5312%PVC热解为例,当温度升至202e时,热解反应开始,重量开始急剧下降,温度升至346e,重量下降趋势渐缓,第一阶段的反应结束。温度高于440e,第二阶段的反应开始,直至580e。第一阶段的反应失重在75%左右,第二阶段则为15%。其它不同氯含量的CPE热解曲线也表现了相同的趋势,即含氯塑料的热解分两步进行,只是在失重率上第18卷(总第104期)热能动力工程2003年3月有一定差异。分析4种CPE样品第一阶段的失重率,有一点值得注意,10%氯含量CPE第一阶段失重13%,23%氯含量CPE第一阶段失重25%,31%氯含量CPE第一阶段失重29%,46%氯含量CPE第一阶段失重40%,基本上与样品中氯含量相当,表明含氯塑料第一阶段热解反应为脱氯反应,这与多数研究者认为PVC热解反应的第一阶段为脱氯过程的结论是一致的[6~7]。文献[6]研究表明,第二阶段反应是含氯塑料分子主链发生断裂,生成烯烃小分子。相比之下,HDPE热解只有一个阶段的失重,其起始点为300e,终点为480e,其热解反应与含氯塑料第二阶段反应相同。在500e时,10%~31%氯含量CPE失重率在92%~96%,这与HDPE100%失重率较接近,含氯量46%CPE失重率为82%与PVC85%的失重率相近。表3为350e下各种含氯塑料热解残余物中Cl含量,从表中数据可知,至初级分解反应结束,9915%以上的氯析出,残余物中成分主要以碳、氢