可燃固體廢棄物熱解特性及其過(guò)程數(shù)值模擬研究.pdf

1、可燃固體廢棄物(CSW)作為一種有機(jī)碳源，可用于開(kāi)發(fā)替代部分石油的液體燃料與化學(xué)品，從而緩解我國(guó)能源短缺和廢棄物處理困難兩方面難題。在眾多CSW高值化開(kāi)發(fā)技術(shù)方法中，熱解制備高品質(zhì)液體產(chǎn)物技術(shù)具有良好的發(fā)展前景。本文從基礎(chǔ)和應(yīng)用兩個(gè)方面出發(fā)，在CSW原料的熱解動(dòng)力學(xué)、熱解產(chǎn)物高值化的機(jī)理和特征、熱解產(chǎn)物性質(zhì)和潛在利用途徑以及熱解過(guò)程數(shù)值模擬等方面開(kāi)展了較全面的研究。
　　在熱重反應(yīng)器中研究了兩種常見(jiàn)CSW原料的熱解失重特性及動(dòng)力學(xué)

2、。廢紙板和廢輪胎在約220～400℃和159～523℃范圍內(nèi)分別有一個(gè)主要失重峰，且受升溫速率的影響比較明顯。利用高斯分峰擬合方法對(duì)微分失重(DTG)曲線進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)廢紙板DTG曲線可用兩個(gè)峰進(jìn)行擬合，而廢輪胎DTG曲線需要三個(gè)峰進(jìn)行擬合，每一個(gè)擬合峰均可代表原料的不同失重機(jī)理。利用Coats-Redfern法計(jì)算動(dòng)力學(xué)參數(shù)，隨后聯(lián)合使用Flynn-Wall-Ozawa法和Malek法篩選出最合適的機(jī)理函數(shù)，從而獲得了兩種原料在主要失

3、重階段的動(dòng)力學(xué)模型及相關(guān)參數(shù)。
　　利用裂解-氣相色譜/質(zhì)譜聯(lián)用儀(Py-GC/MS)研究了催化劑及改性催化劑對(duì)廢紙板快速熱解制備芳香烴的影響。廢紙板快速熱解產(chǎn)物以糖類(lèi)、醛類(lèi)、酮類(lèi)等含氧有機(jī)物為主，品質(zhì)較低。添加微孔分子篩HY、HZSM-5(HZ)和廉價(jià)礦石凹凸棒土(PA)促進(jìn)了芳香烴的生成，提高了產(chǎn)物品質(zhì)。為進(jìn)一步提高催化劑活性，對(duì)效果良好的HZ進(jìn)行堿處理改性，獲得含微孔和介孔的分級(jí)孔道分子篩，其孔道擴(kuò)散性能得到明顯改善。經(jīng)過(guò)溫

4、和堿改性(NaOH溶液濃度≤0.3M)的HZ顯著增加了目標(biāo)產(chǎn)物BTX（苯、甲苯和二甲苯）的產(chǎn)量，并有效減少了HZ的結(jié)焦率，實(shí)現(xiàn)了廢紙板熱解產(chǎn)物高值化。
　　利用Py-GC/MS探索了廢輪胎催化快速熱解制取芳香烴的機(jī)理。對(duì)廢輪胎熱解重要產(chǎn)物D-檸檬烯的降解過(guò)程進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)其在600℃及更高溫度下被芳構(gòu)化。根據(jù)產(chǎn)物分布及文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)，提出了D-檸檬烯在不同溫度下降解主要途徑，并利用這些途徑解釋了廢輪胎熱解產(chǎn)物轉(zhuǎn)化特性。對(duì)廢輪胎及其中間

5、產(chǎn)物的催化熱解試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，HY、HZ和PA對(duì)芳香烴的催化機(jī)理各不相同:HY催化D-檸檬烯和聚丁二烯橡膠(BR)熱解產(chǎn)物芳構(gòu)化效果良好，而HZ僅對(duì)催化BR熱解產(chǎn)物芳構(gòu)化效果明顯，PA則對(duì)芳香烴和烯烴產(chǎn)物均有一定促進(jìn)效果。該結(jié)果解釋了廢輪胎催化快速熱解產(chǎn)物向芳香烴轉(zhuǎn)化的途徑，從而有利于廢輪胎熱解產(chǎn)物高值化。
　　在最大處理量為10kg/h的流化床反應(yīng)器內(nèi)，進(jìn)行了實(shí)際CSW混合原料的熱解制油試驗(yàn)。采用多級(jí)冷凝系統(tǒng)，獲得38.4～56.

6、5wt％熱解油產(chǎn)物，分為水溶相和有機(jī)相。水溶相含水率高，主要有機(jī)組分為酸類(lèi)、羰基類(lèi)、酚類(lèi)和糖類(lèi)，可提質(zhì)后加以利用。而有機(jī)相幾乎不含水，主要由芳香烴和酚類(lèi)組成，且重金屬Cd、Pb和Zn含量低，燃料性質(zhì)與原油相近。水溶相和有機(jī)相分層有利于CSW熱解油的分級(jí)利用，二者可通過(guò)不同的方式加以利用。除熱解油外，熱解炭和熱解氣產(chǎn)物可通過(guò)燃燒為熱解反應(yīng)提供熱量。
　　在試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，對(duì)CSW在流化床內(nèi)的熱解過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。采用雙歐拉模型

7、模擬多相流流動(dòng)，多組分、多步反應(yīng)模型模擬CSW原料的熱解過(guò)程。編制了非均相反應(yīng)的用戶(hù)自定義函數(shù)（UDF）程序，利用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)軟件進(jìn)行耦合計(jì)算。模擬結(jié)果表明，隨著熱解時(shí)間的增加，流化床內(nèi)逐漸趨于穩(wěn)定流化狀態(tài)，出口產(chǎn)物流量在±10％范圍內(nèi)波動(dòng)。模擬了工況對(duì)產(chǎn)物產(chǎn)率的影響，發(fā)現(xiàn)熱解溫度對(duì)產(chǎn)物產(chǎn)率影響最大，而初始床層高度對(duì)產(chǎn)物波動(dòng)影響最明顯。與試驗(yàn)結(jié)果相比，模擬獲得的床內(nèi)溫度分布結(jié)果與產(chǎn)物產(chǎn)率隨溫度的變化規(guī)律結(jié)果基本一致。CSW熱解