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内配废塑料铁鳞直接还原的实验研究

陈书文  
【摘要】:我国是塑料生产和消耗大国,每年产生大量废弃塑料,对环境造成严重污染。将废弃塑料的处理和固体碳直接还原生产海绵铁的工艺相结合,进行废弃塑料冶金资源化利用,既可保护环境,又可有效地利用这一潜在资源,其经济效益之显著,社会效益之深远必将对我国经济、社会的可持续发展产生重大影响。本课题得到了国家自然科学基金和宝钢钢铁联合基金的资助(项目号№50174001),工作的目的是研究内配废塑料铁鳞直接还原的机理和还原特性,探寻内配塑料对铁鳞直接还原的影响。作为基础研究,其结果为我国实现废弃塑料冶金资源化有重要意义。 实验建立类H(o|¨)gan(a|¨)s气—固直接还原体系,选取三种废塑料(键盘、光盘、饮料瓶)。通过正交实验获得影响金属化率的首要因素是还原温度,其次是还原时间和废塑料添加量。 铁鳞直接还原体系属于多孔的气—固反应体系,孔隙率以及孔隙的空间结构对体系的传热、气体扩散、界面化学反应都有直接影响。因此,本文对孔隙进行研究,铁鳞还原过程孔隙率生长符合热固结孔隙生长动力学方程,并利用分形理论对孔隙结构进行了初步研究。结果表明:与无内配碳相比,内配废光盘会提高孔隙的分形维数,即提高试样的孔隙率,并且对孔隙的空间结构有一定影响。 通过塑料颗粒微观还原实验,验证出内配塑料可以提高还原料柱的孔隙率,同时,试样微区成分分析表明,内配的废塑料在还原过程中会析出一定量的碳。 本文将铁鳞直接还原体系以“粒子模型”进行动力学拟合,并通过等温热重实验(TGA)得出还原过程前期处于界面化学反应控速阶段。随着反应进行,逐渐过渡到界面化学反应和气体内扩散混合控速阶段。计算还原反应的表观活化能,结果表明内配废塑料在一定程度上降低了反应的表观活化能,内配塑料对铁鳞还原起到催化剂的作用,加速了直接还原的反应速率。同时,废塑料热分解后在试样中残留的孔隙改善了体系内还原性气体的扩散条件,提高了金属化率。反应后期,界面化学反应和气体内扩散混合控速阶段中,界面化学反应的控速程度随塑料添加量的增加而增大。在本实验条件下,内配键盘、光盘和饮料瓶的量分别为2%、3%和4%时,试样金属化率分别最佳。


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