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废轮胎微波热解过程及产物分布特性试验研究

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摘要

第1章 引言

1.1 研究背景

1.2 废轮胎处理方法

1.3 废轮胎常规热解技术及现状

1.4 废轮胎微波热解技术及研究现状

1.4.1 微波加热技术

1.4.2 微波与金属之间的作用

1.4.3 废轮胎微波热解现状

1.5 本文主要研究内容

第2章 废轮胎微波热解试验系统及方法

2.1 试验系统

2.1.1 试验原料

2.1.2 试验装置及流程

2.2 试验方法

第3章 废轮胎微波热解过程及动力学特性

3.1 废轮胎热解产物的过程特性

3.1.1 三相产率和物料温度变化

3.1.2 热解气产出过程变化

3.1.3 热解油产出过程变化

3.1.4 热解炭产出过程变化

3.2 废轮胎微波热解与常规热解对比

3.3 本章小结

第4章 废轮胎微波热解产物分布特性

4.1 热解产物分布特性

4.1.1 三相产物产率

4.1.2 热解气成分分析

4.1.3 热解油成分分析

4.1.4 热解炭成分分析

4.2 添加钢丝后热解产物分布特性

4.2.1 添加铜丝后的三相产物产率

4.2.2 添加钢丝后热解产物分布特性

4.3 本章小结

第5章 废轮胎微波热解高附加值产物——柠檬烯产出特性研究

5.1 不同因素对柠檬烯产率的影响

5.1.1 微波功率对柠檬烯产率的影响

5.1.2 载气流速对柠檬烯产率的影响

5.1.3 轮胎粒径对柠檬烯产率的影响

5.1.4 钢丝添加对柠檬烯产率的影响

5.2 柠檬烯的产生机理

5.3 柠檬烯的应用展望

5.4 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 总结

6.2 不足与展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文

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摘要

随着汽车工业的发展和生态环境的恶化,汽车轮胎报废引起的废轮胎闲置、堆积已成为一个重要的社会、环境问题。废轮胎常规热解的主要问题是结焦、热效率低,根本原因在于温度场不均匀,而微波加热具有选择性,可以整体加热物料,显著改善物料温度分布情况,同时结合轮胎中炭黑、钢丝与微波的耦合作用,本文提出微波辅助废轮胎热解的方法,主要从废轮胎微波热解过程以及产物分布特性等方面进行了探究。
  本文进行废轮胎微波热解过程试验,探究了热解产物随热解时间的动态变化特性。发现随热解时间加长,热解气产率逐渐提高,热解时间由10min增加到20min时,热解油和热解炭产率变化明显,固体产物的产率从54%大幅降低到44.8%,热解油产率由37.7%增大到44.2%。根据热解气的变化规律,大致将热解过程分为三个阶段;随时间增加,热解油产率明显提高,小分子物质比例增高,大分子油比例降低,时间继续增大到30min,小分子油比例略有降低,而多环物质含量增高;热解炭的热解程度随时间逐渐加深,反应器中心部分样品较边缘部分优先参与热解。此外,进行了微波热解和常规热解过程的对比,发现微波热解的最终失重率较常规热解提高了约12个百分数,废轮胎微波热解主要热解阶段的活化能(44.38k J/mol)低于常规热解(58.75kJ/mol),体现了微波热解废轮胎的优势。
  本文还探究了不同因素对热解产物分布特性的影响。一方面,进行不同功率下废轮胎胶粉热解试验,随功率增大,热解炭产率由270W的48.8%逐渐降到720W的41%,热解油在450W时产率最高,高达45%,高功率下热解气产率明显增加,720W达到18%,且随功率增大,热解气中H2,CH4等小分子物质比例增高,热解油中BTX类物质呈现上升趋势,热解炭中挥发分逐渐降低,热解程度加深,且固体中Zn元素的固硫作用加强。另一方面,考虑到微波热解不仅局限于胶粉,对块状废旧轮胎的热解效果及机理也进行了深入研究,发现相比于同功率下胶粉热解产物,轮胎块热解气产率明显增多,提高了约4个百分数,热解气中H2含量降低。轮胎块热解油和热解炭的成分及比例与胶粉热解产物类似。
  此外,探究了钢丝添加下热解产物分布特性,并与无钢丝添加下产物进行对比。发现添加钢丝后提高功率,胶粉热解气和热解油产率的变化尤为明显,热解气产率大幅增高,最高可达35.3%,同时油气产物中小分子物质比例增多,热解油中多环芳烃的比例也呈现上升趋势,热解炭挥发分和H元素含量降低,热解程度加深。与带钢丝轮胎块热解产物对比,发现轮胎块的热解气中H2含量仍较低,热解油中苯、甲苯和柠檬烯等产物的比例明显减低,热解炭区别较小。与无钢丝添加下产物对比发现,添加钢丝有利于深化热解程度,提高小分子物质含量,但对于某些对高温敏感的物质的产生有不利影响,如柠檬烯等。
  最后,针对热解油中含量最丰富的高附加值产物——柠檬烯,着重研究其产出特性,探究了微波功率、载气流速、轮胎粒径、有无钢丝添加对废轮胎微波热解中柠檬烯产率的影响,发现较低的微波功率(450W),较高的载气流速(1.5L/min)和较小的轮胎粒径(0.6mm)以及无钢丝添加时有利于柠檬烯的产出,试验中柠檬烯在原料样品中的总产率最高可达5.97%,热解油中柠檬烯总产率最高可达15.16%。

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