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1、222 煤和废塑料混熔燃烧动力学的研究煤和废塑料混熔燃烧动力学的研究 代祥社 （贵州大学就业指导中心 贵州贵阳 550003) 摘摘 要要： 对不同比例的废塑料与煤粉混合，在不同混熔温度下制成样品进行燃烧动力学试验；结果表明：混熔样品的 F(a) 1/T 曲线的拟合直线相关系数绝对值均在 0.95 以上，表明实验的样品燃烧符合一级反应；混熔样品温度和塑料配比为 200、2025%时的活化能最低，燃烧阻碍小。 关键词关键词： 废塑料；煤；混熔样品；动力学 Study on Combustion Kinetics of the Blend Meltwith Coal and Plastic Was
2、te DAI Xiang-she (The enter of employment coah of College of Materials and Metallurgy Engineering,Guizhou University, Guiyang, Guizhou 550003) Abstract:The combustion kinetics experiments are run by blending pulverized coal and plastic waste in different proportions and producing blend-melt samples
3、in different combustion temperatures. The experiments show that all absolutevalues of correlation coefficients for fitting straight lines of SN curve F(a)1/T of the blend-melt samples are above 0.95, which indicates the combustion of samples conforms to the rules of first order reaction. The experim
4、ents also shows that the activation energy is the lowest and the combustion blocking the weakest at 200 when the mix proportion is between 20% and 25%. Fitting straight line Key words: plastic waste, coal, blend-melt sample, kinetics 0 前言 现代社会,由于塑料的优良特性,其制品获得了 日益广泛的应用。但是塑料制品使用后所产生的 “白色污染”问题受到了广泛关注。如
5、何实现废塑料 的减量化、无害化、资源化利用处理,世界各国在 技术开发方面作了大量工作,并出现了多种废塑料 处理技术1-4, 如再生利用、堆积后掩埋、焚烧、 燃料化，尤其是废塑料燃料化国内外进行了诸如 煤与废塑料共焦化5-8、高炉喷吹废旧塑料等研究。 其中在国际上广泛关注的高炉喷吹废塑料处理技 术在德国和日本的炼钢生产中得以成功应用9-11。 为此本文提出了煤与废塑料共熔后在混联法生产 氧化铝得烧结系统中作为燃料使用。煤的燃烧理 论已经是成熟的，国内研究人员对废塑料的燃烧 进行了实验研究12-13，但对煤与废塑料混合燃烧实 验研究较少，本研究是对不同比例的废塑料与煤 粉混合，在混熔温度 200下
6、制成样品进行燃烧动 力学试验。 1 燃烧动力学求解方法 假设在无限短的时间间隔内，非等温过程可 看着等温过程，样品的燃烧速率可表示为： da/dt=KCn (1) 引入 Arrhenius 公式 K=A*exp(-E/RT) 后得 到： da/dt=Aexp(-E/RT)Cn (2) 式中：a 为样品在温度 T 时刻的相对质量变化 率，即： a=(M0-M)/(M-M) (3) 本实验将试样的燃烧过程假设为一级反应， 设升温速率为 dT/dt（本实验为 80/min） ，作 代换 C=1-a，则对 2 式两边进行积分可以得到： ln-ln(1-a)/T2=ln(AR/E)-E/RT (4) 2
7、23 式中：A 为频率因子；R=8.314；E 为活化能； T 为温度。 以 F(a)= ln-ln(1-a)/T2对 1/T 作图，如果反应 机理选择正确，对 F(a)1/T 图象进行拟合以后将 可得到一条直线。通过直线的斜率可以算出活化 能 E，通过截距可以得到频率因子 A。在样品燃烧 过程中如果存在一点 TQ，使得 TQ左右 F(a)1/T 的直线斜率不等，则认为 TQ两边的燃烧反应服从 不同的反应机理或服从相同的反应机理但是燃烧 动力学参数不同。同时，由于多段活化能不能客 观地表示出每个阶段对总反应的贡献，故实验采 用加全平均得方法来求燃烧反应的总包活化能 Em，即： Em=G1E1+
8、G2E2+GnEn (5) 式中：Gn表示第 n 段的可燃物样品的燃烧失 重率（假设所有过程的失重之和看成 100%失重） ， En表示第 n 段的活化能。 2 实验部分 2.1 样品制取及性质分析 本实验所用废塑料为贵阳市垃圾场中的混合 废塑料(除掉含氯量高的 PVC)，煤为贵州铝厂生产 氧化铝的烧结用煤。塑料经过塑料专用破碎机进 行破碎后达到 10 毫米左右的塑料片；实验煤粉粒 度为：6mm 约占 80%，6mm 约占 20%。煤粉经 过预热达到 200，加入粗破碎的废塑料均匀混入 并与其熔融，然后自然冷却到一定的温度，再将 煤与废塑料共熔体用万能破碎机将它们破碎到 90 目左右取样。实验
9、时五种混熔样品的塑料比例分 别为 10%，15%，20%，25%，30% ，煤、塑料、 混熔样品的工业分析和元素分析结果见表 1.1。 2.2 实验装置及条件 本实验主要装置是采用美国杜邦公司生产的 热分析仪。 实验操作条件：样品均为 90 目左右，压力为 常压，升温速率为 80/min，始温为室温，终温 为 1000，空气流速为 250ml/min，样品重量约为 16 毫克。 2.3 实验结果 对电脑采集到的数据用 ORINGIN 软件处理后 可以得出以上样品的 F(a)-1/T 的实际和拟合曲线, 见图 17： 为了使上述的结果更清楚，现将数据计算结果 总结如表 2 中。 2.4 实验结果
10、分析 （1）从图 1 到图 7 中可以知道，除了塑料的 F(a)-1/T 拟合直线由两段组成外，煤和其他的混熔 样品都由三段组成。主要由于塑料的燃烧很快， 导致中间转折段很短，所以在图象上基本被掩盖 了。 表 1 工业和元素分析结果 样品号样品成分Ad%Vd%FCd%Cd%Hd%Od%Sd% 1塑料6.2690.053.6976.4113.063.760.06 2煤10.798.2680.9580.983.473.140.57 3200 10%10.9615.7673.2879.584.054.030.55 4200 15%13.7913.5872.6378.684.401.750.50 52
11、00 20%10.0125.1464.8578.795.604.430.49 6200 25%11.1529.9458.9179.076.482.330.41 7200 30%10.1536.8952.9678.717.562.280.43 0 .0 0 0 80 .0 0 0 90 .0 0 1 00 .0 0 1 10 .0 0 1 20 .0 0 1 30 .0 0 1 40 .0 0 1 5 -2 0 -1 9 -1 8 -1 7 -1 6 -1 5 -1 4 -1 3 -1 2 -1 1 R ea l L in ea r c o al F(a) 1 /T (1 /K ) 0 .0 0
12、 1 3 50 .0 0 1 5 00 .0 0 1 6 50 .0 0 1 8 0 -1 9 -1 8 -1 7 -1 6 -1 5 -1 4 -1 3 -1 2 -1 1 R e a l L in e a r p la stic F (a ) 1 /T (1 /) 图 1 煤的 F(a)-1/T 的实际和拟合曲线 图 2 塑料的 F(a)-1/T 的实际和拟合曲线 224 0.00100.00120.0014 -18 -17 -16 -15 -14 -13 -12 -11 Real Linear 200 10% F(a) 1/T(1/) 0.00100.00120.00140.00160.
13、0018 -18 -16 -14 -12 -10 Real Linear 200 15% F(a) 1/T(1/) 图 3 200 10%的 F(a)-1/T 的实际和拟合曲线 图 4 200 15%的 F(a)-1/T 的实际和拟合曲线 0.00100.00120.00140.00160.0018 -18 -17 -16 -15 -14 -13 -12 -11 Real Linear 200 20% F(a) 1/T(1/) 0.00100.00120.00140.00160.0018 -18 -16 -14 -12 200 25% Real Linear F(a) 1/T(1/) 图 5
14、200 20%的 F(a)-1/T 的实际和拟合曲线 图 6 200 25%的 F(a)-1/T 的实际和拟合曲线 0.00100.00120.00140.00160.0018 -18 -16 -14 -12 -10 Real Linear 200 30% F(a) 1/T(1/) 图 7 200 30%的 F(a)-1/T 的实际和拟合曲线 （2）在所有样品的燃烧过程中都会在某一着 火点的附近出现一个很小的活化能值（正或负） ： 在煤的燃烧过程中，在第二个着火点即残余炭粒 的着火温度附近出现；在塑料的燃烧过程中，是 在塑料分解的大分子物质裂解为小分子物质这一 着火点的附近出现；而对于混熔样来
15、说，该活化 能出现在最后一个着火点即最后残焦的着火温度 前沿的地方。这种现象的存在原因是：在即将着 火的时候，热量集中很明显，燃烧阻力很小或者 有可能存在瞬间的推动力这种情况。 （3）对于煤来说，在低温下的表观活化能比 高温下的表观活化能能大，所以煤的着火点比较 高，很难激活它达到燃烧的状态，但是一旦开始 着火，燃烧的阻力就变小了；对于塑料来说，则 是高温下的表观活化能比低温下的表观活化能 大，原因是大分子裂解为小分子的阻力比塑料一 开始裂解出小分子可燃气体的阻力大得多；对于 混熔样品来说，基本上是低温段表观活化能比高 温段表观活化能低，这是由于塑料的可燃性气体 的析出对煤的可燃性气体析出有促
16、进作用，但是 200 、30样品出现反常情况，这是由于塑料的 含量过高，塑料和煤分解出的气体要在瞬间燃烧 225 所需的热量很高，而且所需含氧量也大，可能会 导致燃烧阻力增大的现象产生。 （4）当塑料配比一定时，从图 8 和 9 中可以 很明显看出当混熔温度在 200时总包活化能最 低，燃烧阻力最小。而当温度一定（都为 200） 时，从总体趋势看，随着塑料配比增加活化能有 下降趋势，在 200 25处取得最低点，所以基 本可以肯定 200，2025塑料配比时的活化能 取得最低，燃烧阻碍小。 （5）从表中还可以看出，各样品的 F(a)1/T 曲线的拟合直线相关系数绝对值均在 0.95 以上， 表明本实验的样品燃烧动力学用一级反应来表示 这种假设是正确的。 3 结论 表 2 动力学参数统计表 样品
