有机固体废弃物热解行为研究

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有机固体废物是人类在生产、生活中产生的无法被继续利用而被丢弃的废弃物,组成复杂、数量众多。随着人口不断增长和居民生活需求越来越高,有机固废含量也在逐年增加,目前城市固体废物的年产量已超过20亿吨。填埋、焚烧和堆肥等传统方法不仅污染水源和土壤,还造成资源无节制的浪费,如何处理有机固体废物是当今社会的一大难题。热解是一种常见的固体废物处理方法,其可将复杂的有机物质分解为带有固体残留物的碎片,最终形成焦炭、油品和气体三种产物,过程操作简单,拥有很好的工业应用前景。此外,热解技术可将大部分碳固定在产品中,相对于焚烧处置固废物可减少碳排放50-60%。因此,热解处理有机固废既可以实现对资源的高效利用和可持续发展,又能助力碳减排。本文基于前人对塑料和生物质热解的研究基础,主要针对城市固废在非催化类环境中的微波热解开展研究,更具有经济效益。实验选取城市有机固废中的聚对苯二甲酸类(PET)、聚丙烯类(PP)、聚乙烯类(PE)塑料和废纸箱为原料,通过考察不同实验条件下的液相收率及产物性质寻找合适的反应条件,并通过元素分析、红外光谱、拉曼和质谱等方法对原料和热解产物进行表征和分析。得出以下主要结论:(1)PET瓶的元素组成主要为C、H、O,其中O含量为33.7%,主要以C-O和C=O形式存在。PET瓶的工业分析表明挥发分产率为90%以上;热重分析表明PET瓶的主要失重区间为370-480℃,加热速率越大,开始裂解及裂解结束的温度就越高,最大失重速率时的温度也越高。PET瓶在管式炉中的热解发现蜡类冷凝物的收率随温度(450-600℃,间隔50℃)升高先增加后减少,恒温时间(30-60min,间隔10 min)对反应的影响不大,增大载气流速(40-160ml/min,间隔40 ml/min)会使蜡类冷凝物收率增加,其中温度对产物收率的影响最大。通过对产物进行GC/MS分析知,冷凝物中主要是苯类及衍生物,其中苯甲酸含量最高为10%。气体组分主要是CO和CO2,含量之和在90%以上,还有少量的H2和脂肪烃。温度对气体组成的影响最大,CO2含量随温度升高而减少。(2)废纸箱主要由C和O组成,O含量高达54%,挥发分占76.72%,水分占7.39%,含有大量的O-H、C=O和C-O键。热重表明,废纸箱在50-250℃脱水,250-370℃为主要分解区,最大分解速率在350℃。废纸箱在管式炉中热解时,随着温度(300-450℃)升高,热解气收率不断增加,焦炭收率逐渐减少,油品先增大后减少。微波热解的油收率高于管式炉热解。热解油的组成主要为脱水糖、苯酚和呋喃类的含氧五元或六元环结构和乙酸、甲酸甲酯和羟基丙酮等含羰基的小分子,馏程集中在70-250℃,热解气主要是CO2、CO、H2和CH4,微波加热比管式炉产生更多的CO2气体。(3)热重分析显示废纸箱和塑料(PP和PE)共热解的失重区间为300-400℃(废纸箱失重)和470-510℃(塑料失重)。与单独热解相比,共热解使废纸箱的热解温度向高温方向移动。共热解的油品收率随着塑料含量的增加而增加,随着温度的升高而减小。废纸箱和塑料在微波共热解中具有协同效应,废纸箱的含量较高、反应温度较低时共热解的协同作用越强,且废纸箱/PP的协同作用强于废纸箱/PE。共热解油的组成主要是醛酮、酚类和长链烯烃,分别来自废纸箱和塑料,塑料的添加有效减少了热解油中的O含量,油品馏程集中在200-500℃。热解气主要是CO2、CO和C1-C5的烃类,其中CO2、CO来自于废纸箱,C1-C4烃类气体主要来自塑料。CO2气氛中的热解反应比N2气氛中产生更少的油品和更多的气体。
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