生活垃圾典型组分混合热解对焦油生成特性及催化裂解的影响研究

发布时间：2020-03-22 11:24

【摘要】：随着我国经济的快速增长以及城镇化进程的加快,生活垃圾产量急剧增加。目前热解气化法处理生活垃圾由于不可比拟的优势引起了越来越广泛的关注,然而垃圾热解气化的同时会不可避免地产生有机污染物焦油,如何减少焦油排放成为突出存在的环境问题。我国生活垃圾组分复杂,因而有必要研究不同垃圾组分混合热解气化对焦油特性影响。基于国内外研究进展,本文以生活垃圾典型组分为研究对象,系统地研究了组分之间交互作用对热解动力学特性、焦油生成特性、焦油理化属性和焦油催化裂解特性的影响,这对于掌握交互作用对焦油生成及催化裂解的影响、指导垃圾分选和垃圾热解气化焦油的控制均有重要的参考价值。首先,为了整体地了解生活垃圾热解焦油的特性,研究了五种生物质类生活垃圾组分和六种化石燃料类生活垃圾组分快速热解的产物,并将结果与两种常规化石燃料在相同工况下快速热解的产物进行了分析对比。结果显示,生物质类生活垃圾快速热解产物富含含氧碳氢化合物。化石燃料类生活垃圾的热裂解产物主要包括苯系物、多环芳烃、烷烃和烯烃。而化石燃料快速热解的产物种类多且杂,其中酚类和多环芳烃占主导地位。选择纤维素,淀粉和大豆蛋白粉作为生物质类生活垃圾典型组分,PVC作为化石燃料类生活垃圾典型组分,利用热分析技术对热解反应特性进行分析,并重点关注三种生物质类生活垃圾分别与PVC混合热解时,交互作用对热解过程及动力学参数的影响。结果表明三种混合物热解过程中均发生了交互作用,表现出显著的促进效果,纤维素、淀粉和大豆蛋白粉与PVC混合热解分别使活化能降低了 27.58～30.18%,23.34～63.02%和2.10～12.81%。在热分析的基础上,利用小型管式炉试验台,研究了生活垃圾典型组分热解焦油的生成特性,重点关注了纤维素、淀粉、大豆蛋白粉分别与PVC混合热解时,热解过程中的交互作用对焦油生成特性的影响。当热解原料含有大豆蛋白粉时,还关注了焦油含氮组分中氮的类型。结果发现,纤维素、淀粉和大豆蛋白粉热解焦油中含有大量含氧碳氢化合物,而PVC热解焦油中则几乎没有。纤维素和淀粉热解焦油芳香性很低,芳香族组分相对含量低于30%,而大豆蛋白粉和PVC热解焦油则呈现很高的芳香性,芳香族组分含量最多可达约50%和82%。对于纤维素和淀粉分别与PVC混合热解的情况,交互作用促进了焦油的裂解和缩聚反应,使焦油产率降低且含有更多重质的大分子组分。大豆蛋白粉和PVC共同热解生成了第5类焦油组分,易导致焦油露点升高。基于以上研究,在生活垃圾典型组分中选择纤维素和PVC作为代表,进一步研究交互作用对热解焦油各方面特性的影响,并重点关注了其中的交互作用。结果表明,在纤维素和PVC共同热解的过程中,PVC对热解焦油多方面特性的形成发挥了决定性的作用,使混合物热解焦油H键和C键的类型、接触角等特性都与PVC热解焦油呈现明显的相似性。此外,二者共同热解过程中的交互作用使焦油中炭黑的密度和粒径增大,甚至产生了大范围的交联。同时,交互作用促进了给料中的氯向焦油中迁移,使焦油中氯的浓度提高了 2～9倍,从而更易导致后续设备的腐蚀问题。另外,交互作用还使热解焦油的表面张力提高了 26～28%,动力粘度降低了 19～30%。最后,以纤维素和PVC作为代表,以煅烧白云石为催化剂,进一步研究生活垃圾代表组分纤维素和PVC热解过程中的交互作用对焦油催化裂解特性的影响。研究结果表明,煅烧白云石催化剂对纤维素和PVC单独热解焦油具有很好的催化裂解效果,催化裂解效率达到90%以上,而混合热解则使焦油的催化效率比预期低约8～29%。对裂解后的焦油组成进行分析发现,热裂解和催化裂解有效减少了焦油组分的种类及焦油的分子质量。对反应前后的催化剂分析发现,反应后的白云石催化剂表面积炭现象并不明显,而氯中毒情况却较为严重,尤其对于混合给料的情况,白云石中的氯含量达到线性计算结果的3～15倍。因此,与积炭问题相比,催化剂氯中毒是导致催化效率降低的主要原因。结合上文内容,在纤维素和PVC共同热解的过程中,交互作用使焦油中生成了更多难以裂解的重质组分,又促进了氯元素向焦油的迁移,而含氯量较高的焦油在白云石催化剂表面发生催化裂解时,其中的氯极易附着于催化剂表面,造成催化剂氯中毒。这两方面原因共同作用,使煅烧白云石催化剂对混合物热解焦油的催化裂解效率显著降低。
【图文】：

计上可用垃圾清运量代替生活垃圾产生量。随着我国社会经济的快速发展、城市化进程的逡逑加快以及人民生活水平的迅速提高，城市生活垃圾也随之迅速增长。查阅国家统计局编写逡逑的中国统计年鉴，得到近几年城市生活垃圾清运量如图１．１所示。我国城市生活垃圾清运逡逑量呈逐年增长的趋势，２０１６年时已徶到２．０４亿吨。逡逑域市生活垃级清运量（万吨）逡逑２５０００逡逑２００００逡逑ｍ丨逡逑ｊ邋ｈ邋Ｉ邋§邋ｈ邋１１逡逑２００６逦２００７逦２００８逦２００９逦２０１０逦２０１１逦２０１２逦２０１３逦２０１４逦２０１５逦２０１６逡逑图１．１我国城市生活垃圾清运量（数据来源：２０１７年中国统计年鉴）逡逑根据世界银行的统计，全球每年生活垃圾产量己达到１３亿吨，预期到２０２５年将增长逡逑到２２亿吨，增幅近７０％，对于低收入国家，未来二十年内垃圾产量将增长至两倍以上［３］。逡逑中国是生活垃圾产量增长速度最快的国家，从２００４年起就超越了美国成为世界上最大的逡逑垃圾产生国［４］，在未来几年内仍将保持较快增长的趋势。生活垃圾已经成为制约我国可持逡逑续发展的一大关键因素，不断增长的生活垃圾不仅占用了大量的土地，而且其释放的多种逡逑污染物也带来了日趋严重的全球及区域性环境问题，对生态环境和人类健康造成了巨大的逡逑威胁。另外

图１．４所示是瑞士热选公司开发的两级固定床气化技术。该技术懫用周期性连续给垃圾可以不经破碎直接使用液压压缩至原体积的五分之一。随后，物料被推送至间接通道热解，温度为６００邋°Ｃ，热解产物进入８００邋°Ｃ高温反应器共同气化，高温反应器和底部的温度分别为１２００邋°Ｃ和２０００邋°Ｃ，这样的高温可以确保有机挥发物和二VA英底破坏以及残余物的坡璃化。气化气经水冷、除污、干燥后，可用于发动机、汽轮机和汽锅炉，还可用于化工原料，同时部分气体用于加热通道。根据实际运行数据，，该技电效率可以达到１１？４０％。逡逑Ｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ邋Ｇａｓ邋Ｃｌｅａｎｉｎｇ．逡逑２７，５００邋！ｂ／ｉｓ逦ＪＴ＾ｒｒ－ｎ邋ｒｉ邋ｒ￣ｊ邋ｒｉ逡逑３３Ｓ邋Ｉｂ／ｙｄ邋＾逦｜逦逦１逡逑Ｌ：邋，逦｜邋逦］□逡逑￣：逦：逦ＬＪ邋Ｊ邋Ｕ逦日ｅｃｔｒｌｃｉｔｙ逡逑＼逦ｖ邋Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ逡逑ｗｍｒｎ＾逦Ｓｕｌｆｕｒ逡逑~枺咤澹б粧�—；Ｕ￡Ｔ￣逡逑Ｔｒ＿ｍ逡�

本文编号：2594970