磁旋滑动弧温等离子体裂解生活垃圾气化焦油的基础研究

Disposal of municipal solid waste (MSW) is one of the most significant environmental issues accounted by domestic and abroad countries. Corresponding to the principles of reduction, harmlessness and resourcefulness, gasification is recognized as an alternative approach to substitute conventional incineration, providing a broad prospect in practical applications. However, tar is produced as a harmful byproduct in the gasification process inevitably and hard to deal with, which drastically hampered the development and application of gasification technology. In this project, tangential flow and magnetic driving rotating gliding arc warm plasma was innovatively proposed to decompose of gasification tar from MSW. Experimental platform will be built to investigate the efficiency of tar removal under different operating conditions, providing with an insight into the detailed mechanism and achieving a new technology in tar decomposition of gasification gas. The research achievement of this project will provide the fundamental support for the application of high quality syngas production from MSW, and also have the role of guidance for tar removal of gasification products from biomass and coal.

城市生活垃圾如何处理是我国和世界各国面临的重大环境问题之一，气化技术作为传统焚烧的替代技术，符合减量化、无害化、资源化的原则，具有广阔的应用前景。而焦油是气化过程中不可避免的有害副产物，焦油去除这一技术难题极大限制了生活垃圾气化技术的发展和应用，是该研究领域的一大难点。本项目创新性提出采用切向进气磁旋滑动弧“温”等离子体高效裂解城市生活垃圾气化产物中的焦油。项目将首先探索磁旋滑动弧等离子体裂解焦油方式，研究磁旋滑动弧“温”等离子体不同条件下的生活垃圾气化焦油去除效果，重点认识和揭示其反应机理，以形成城市生活垃圾气化产物中焦油裂解新工艺。本项目的研究成果将很好地解决垃圾气化领域中极具挑战的焦油降解难题，将为生活垃圾气化制备高品质合成气的工业化应用提供支撑。研究成果同样对解决生物质和煤等燃料气化焦油处置有很好的指导价值。

为了处理垃圾气化过程中产生的焦油，本项目创新性提出采用切向进气协同驱动旋转滑动弧“温”等离子体——协同驱动旋转滑动弧等离子体，兼具高温和低温等离子体特性，具有反应活性高、化学选择性性好且处理量相对较大等特点。.本项目工作在四年的研究期间，按照研究计划主要开展的研究有：建立起了耐高温的、能连续稳定运行的、可实现粘稠实际焦油进样的反应系统；研究掌握了协同驱动旋转滑动弧反应器中流场及等离子体物理特性；进行了实际气化焦油成分分析检测；以甲苯为模拟焦油组分的实验研究，获得了最高达96.4%的降解率；以纯萘为模拟焦油组分的实验研究，达到了92.1%的最大降解率；以苯酚，甲苯，萘和菲混合焦油组分为对象进行实验研究，发现降解率苯酚>甲苯>萘>菲；进行了等离子体耦合催化剂研究，得到了最大99.3%的甲苯降解率；进行了实际焦油的降解能力实验，最高总降解率为92.8%；使用光谱仪对反应器进行了光谱测量，测量和计算了反应区域中活性粒子的能级和相对强度。针对本实验进行了流场、等离子体耦合多物理场以及化学反应的相关模拟，为实验提供了理论支持。.通过上述研究，主要创新性成果体现在：完善协同驱动旋转滑动弧反应装置的结构优化设计，解决了积碳、催化剂耦合工艺、连续均匀进样等问题，使反应器能够稳定、高效运行，并真正实现对实际焦油的处理；首次发现了旋转滑动弧放电机制的三种模式：Restrike模式、Takeover模式及Combination模式；基于完善的反应器与催化剂耦合，达到了最大99.3%的甲苯降解率；将降解率实验数据与高速摄影仪图像，电流信号结合比对，首次发现了该反应器电弧形态对降解率的影响。结合光谱仪分析，确定了反应区域中各自由基谱线强度与降解率的关系。.本项目基于反应系统和等离子体特性的优化和调控，实现了模拟和实际焦油的高效处置，并为气化焦油的等离子体处置技术提供坚实的实验基础和理论支撑。

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