可燃固體廢棄物熱解特性及其過程數(shù)值模擬研究.pdf

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

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

3、重階段的動力學模型及相關參數(shù)。
　　利用裂解-氣相色譜/質譜聯(lián)用儀(Py-GC/MS)研究了催化劑及改性催化劑對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、醛類、酮類等含氧有機物為主，品質較低。添加微孔分子篩HY、HZSM-5(HZ)和廉價礦石凹凸棒土(PA)促進了芳香烴的生成，提高了產(chǎn)物品質。為進一步提高催化劑活性，對效果良好的HZ進行堿處理改性，獲得含微孔和介孔的分級孔道分子篩，其孔道擴散性能得到明顯改善。經(jīng)過溫

4、和堿改性(NaOH溶液濃度≤0.3M)的HZ顯著增加了目標產(chǎn)物BTX（苯、甲苯和二甲苯）的產(chǎn)量，并有效減少了HZ的結焦率，實現(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理。對廢輪胎熱解重要產(chǎn)物D-檸檬烯的降解過程進行了研究，發(fā)現(xiàn)其在600℃及更高溫度下被芳構化。根據(jù)產(chǎn)物分布及文獻報導，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)物轉化特性。對廢輪胎及其中間

5、產(chǎn)物的催化熱解試驗研究發(fā)現(xiàn)，HY、HZ和PA對芳香烴的催化機理各不相同:HY催化D-檸檬烯和聚丁二烯橡膠(BR)熱解產(chǎn)物芳構化效果良好，而HZ僅對催化BR熱解產(chǎn)物芳構化效果明顯，PA則對芳香烴和烯烴產(chǎn)物均有一定促進效果。該結果解釋了廢輪胎催化快速熱解產(chǎn)物向芳香烴轉化的途徑，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的流化床反應器內，進行了實際CSW混合原料的熱解制油試驗。采用多級冷凝系統(tǒng)，獲得38.4～56.

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

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