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垃圾热解气化中氯的转化特性与生命周期可持续性评估方法研究

日期:2020-09-11 19:51 作者:上海论文网 编辑:若诗 点击次数:194
销售价格:150 论文编号:el2020090815332220816 论文字数:4603 所属栏目:工程硕士论文
论文地区:中国 论文语种:中文 论文用途:硕士毕业论文 Master Thesis

本文是工程硕士论文,含氯垃圾热转化过程氯元素转化特性研究根据城市生活垃圾组分,选择NaCl作为无机氯源,PVC作为有机氯源,通过热力学平衡模拟和实验分析不同氯源的氯元素在不同温度和气氛下的热转化过程的迁移转化规律。

结果表明,含氯垃圾热转化产生的气相产物中氯含量随着温度升高而增加;NaCl中的氯元素在热转化过程中主要以NaCl的形式存在于固相产物中;无论是N2气氛、空气气氛还是O2气氛,在850oC时气相产物中氯含量均低于3%。与NaCl不同,PVC中的氯元素在热转化过程中主要以HCl的形式存在于气相产物中,在400oC时95%以上的氯元素转移到气相产物中;在N2气氛下,PVC中的氯元素会有一小部分在热转化过程中转移到油相产物中,在750oC时油相产物中氯含量占比0.58%。因此,有机氯源PVC是生活垃圾热处置过程产生HCl的主要来源。

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1绪论

 

除此之外,垃圾热解气化技术采用较低的过量空气系数,从而降低烟气排放量,减少CO2生成;较低的反应温度以及均相燃烧过程通过预混燃烧可以有效抑制NOx的生成;热解气化过程中还原性气氛能有效抑制二恶英的生成,并减少重金属向烟气中迁移,有效地控制有毒有害污染物的排放[13,14]。综上所述,相比于垃圾焚烧技术,垃圾热解气化技术与燃气轮机、内燃机等高效发电设备的联用的“两步式”热处理转化技术能更好地实现城市生活垃圾能源化资源化高效清洁利用。气化介质是气化过程中重要的一部分,常见的气化介质有空气、O2、水蒸气、CO2等,不同的气化介质会影响气化过程中的气化反应,从而影响气化表现。空气作为气化介质时由于N2含量较高稀释了产气组分,导致其产气热值明显低于O2作为气化介质时的产气热值,但是O2作为气化介质会提高运行成本[12,17]。水蒸气作为气化介质时能促进水蒸气重整反应和水煤气反应,提高H2产率,从而提高产气热值和碳转化率,但经济性较差[17,18]。
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2含氯垃圾热转化过程氯元素转化特性研究

 

2.1前言
如本文第一章绪论所述,城市生活垃圾中氯含量占比约为500-2500mg/kg[14,19],垃圾焚烧过程氯元素会转化为HCl、二恶英等含氯污染物,严重影响垃圾焚烧厂系统运行和周边环境生态,并危害人体健康[7,8]。生活垃圾组分复杂,其中氯源可以分为有机氯源和无机氯源,有机氯源包括PVC、橡胶、皮革等,无机氯源包括厨余垃圾中的NaCl、KCl等无机氯盐。有机氯源和无机氯源在热转化过程中的氯元素的转化特性有所不同[19,107]。例如,PVC在热转化过程中大部分氯元素会以HCl形式转移到气相产物中[37,108-110];而NaCl、KCl等无机氯盐,需要在反应温度650oC之后才会有氯元素转移到气相中,而且气相产物中氯含量占比与实验条件有关[107,111]。除此之外,有机氯源和无机氯源在热转化过程中氯元素转移到气相产物过程的机理也不相同[19]。为了系统地研究无机氯源和有机氯源在在热转化过程中的氯转化特性,本章分别选择NaCl作为无机氯源(第2.3节),PVC作为有机氯源(第2.4节),通过热力学平衡模拟和实验分析不同氯源在不同温度和气氛下热转化过程中氯元素迁移转化规律,从而为后续的垃圾热解气化过程中氯的控制特性研究提供支撑。
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2.2材料和方法
本章实验物料分别选择NaCl作为无机氯源,PVC塑料作为有机氯源,进行实验研究。NaCl样品为分析纯AR,纯度为99.5%以上,由上海阿拉丁生化科技股份有限公司生产提供。PVC样品同样由上海阿拉丁生化科技股份有限公司生产提供,其工业分析结果、元素分析结果见表2.1。本章实验所用的管式炉实验装置如图2.1所示。实验系统主要包括供气系统、高温反应系统和样品收集系统。供气系统包括高压气瓶和气体质量流量计,提供实验所需的气氛并保障反应过程气氛的稳定。高温反应系统包括石英管、石英舟和反应炉温控系统;反应器主体为一根内径40.0毫米,长度为550毫米的石英管,反应通过电加热装置升温并通过炉膛中心处的热电偶控制反应的温度,其控温精度为±5oC。样品收集系统包括焦油冷凝收集装置和HCl吸收液,本实验通过两个装有0.1mol/LKOH吸收液的洗气瓶对HCl进行吸收收集。

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3炉内脱氯添加剂对含氯垃圾热解气化过程中HCl控制影响研究....................................33
3.1前言..............................................................................................................................33
3.2材料和方法..................................................................................................................34
3.3钙基添加剂特性..........................................................................................................37
3.4钙基添加剂对PVC热解过程影响的热重与动力学分析........................................40
4钙基添加剂对多组分垃圾热解过程产物特性及氯苯控制影响研究.................................64
4.1前言..............................................................................................................................64
4.2材料和方法..................................................................................................................64
4.3钙基添加剂对多组分垃圾热解过程产物特性影响..................................................66
5钙基添加剂对多组分垃圾热解气化焚烧过程二恶英生成与控制影响研究.....................73
5.1前言..............................................................................................................................73
5.2材料和方法..................................................................................................................74
5.3多组分垃圾热解气化焚烧过程二恶英生成特性......................................................75
5.4钙基添加剂对多组分垃圾热解气化焚烧过程二恶英控制影响..............................78
5.5本章小结......................................................................................................................81

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8基于生命周期思想的可持续性评价方法在垃圾处理技术的应用研究

 

8.1前言
本文第七章通过LCA对杭州市城市生活垃圾综合管理系统在2007-2016年期间的环境影响变化进行评价。然而,LCA只对评价对象的环境影响和能源消耗进行评价[192],并不能完全反映一个垃圾管理系统的综合表现。因此,许多学者以LCA评价方法为基础,与其他方法相结合从而满足评价需求,比如与工程设计软件结合用于生态设计[193],与㶲分析结合用于计算资源效率[194],与经济评价方法结合用于综合评价[195]。董隽通过[6]LCA和LCC对垃圾处理技术进行环境、能耗、经济三个指标进行评价。然而,对于垃圾处理厂这类邻避型环保设施,其社会影响评价具有非常大的意义。垃圾焚烧厂烟气净化后排放的二恶英等污染物,不仅会对环境和生态造成危害,还会造成社会影响,给附近区域居民的心理和生活造成负面影响,使附近区域的居民产生嫌恶情结和邻避情绪,从而对垃圾焚烧厂的选址、建设以及运行造成巨大的影响[196]。

 

8.2基于生命周期思想的3E+S模型方法建立
本研究基于全生命周期思想建立了一种3E+S评价模型,该模型包含了全生命周期环境影响评价、能源消耗评价、经济性评价和社会性评价,其中利用LCA方法评价环境影响和能源消耗情况,利用LCC方法评价经济成本,利用SLCA方法评价社会影响;根据这4个指标的结果,通过多准则决策方法对各个评价方案进行比较;本文结合AHP和熵权法对各指标的权重因子进行计算,并通过TOPSIS对各个评价方案进行排序,从而找到最优的方案。3E+S评价模型具体的框架如图8.1所示。AHP能简便地将定量数据信息较少的决策问题定量化,并很好地反映指标对利益相关者的重要程度;但由于对指标两两比较建立成对比较矩阵过程中受决策者的主观因素影响较大,不同的利益相关决策者通过AHP会得到差异较大的权重结果,导致决策结果不易令人信服[212]。熵权法根据熵表达信息量的特性通过评价方案在各个指标的差异化程度来进行权重计算,计算得到的权重能消除人为干扰且结果具有可重复性[213];然而通过熵权法计算得到的权重结果并不一定能反映指标对利益相关者的重要程度,权重结果有时甚至违反社会常识[214]。

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9全文总结和展望
随着我国城市生活垃圾年产量逐年增加,垃圾焚烧技术由于减容减量效果好和能源回收利用等优点,这些年在我国垃圾无害化处置占比越来越高。然而,由于城市生活垃圾组分复杂,氯含量占比较高,焚烧过程会出现大量的HCl气体。垃圾焚烧厂往脱酸反应塔喷入钙基吸收剂在低温段对烟气中的HCl进行净化,HCl在净化之前会造成设备高温腐蚀影响蒸汽参数,并作为氯源参与二恶英的生成。相比于焚烧发电,生活垃圾热解气化技术通过“两步式”热化学转化将可燃气净化后送入燃气轮机、内燃机等高效发电设备,为生活垃圾更好地高效清洁利用提供可能性。因此可以考虑将钙基吸收剂作为炉内脱氯添加剂,在垃圾中高温热解气化处置的同时实现HCl的脱除,从而促进城市生活垃圾资源化能源化高效清洁利用。鉴于此,本文研究了垃圾中含氯组分热转化过程中氯元素转化特性,提出炉内添加钙基添加剂在垃圾热解气化过程中脱除HCl,探索炉内钙基添加剂对垃圾热解气化过程中含氯污染物(HCl、氯苯、二恶英)排放特性的影响;除了实验探究以外,本文还创建了一种新型的生命周期可持续性评价方法,对垃圾处理系统进行全面评价,从而实现城市生活垃圾管理系统可持续发展。
参考文献(略)
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