基于改性HZSM-5沸石催化剂可燃固体废弃物催化热解特性研究

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我国城市生活垃圾产生量增长迅速,严重危害了环境和居民生活条件,探寻减量化、资源化和无害化的处理方式是一项关乎生态文明和环境保护的重要课题。热解技术因其可以实现有价值产品的充分再利用和能源最大回收,具有较高的环境和经济效益而日益受到了广泛研究。生物质含氧量较高、含碳量较低,因此对生物质进行单独热解使得热解油难以满足作为液体燃料的要求。为获得更高品质的液体产物,生物质单独热解研究朝着与其他富氢废弃物如废轮胎或废塑料等混合催化热解方向发展。为此,本文以城市生活垃圾典型组分厨余垃圾和废轮胎为研究对象,研究厨余垃圾和废轮胎混合热解和催化热解制取液体燃料,探讨不同掺混比和催化剂下的热解反应过程以及热解产物的分布规律,为厨余垃圾和废轮胎资源化综合利用提供了思路和参考依据。本文采用了多种实验技术和方法,研究厨余垃圾和废轮胎催化热解过程反应特性和热解产物析出规律,具体如下:(1)利用热重同步分析仪研究了厨余垃圾、废轮胎及其混合样品的催化热解特性和催化剂的抗焦化性能。研究结果表明,厨余垃圾和废轮胎的热解失重过程均可分为三个阶段和存在一个失重主峰。废轮胎的热解起始温度、最大失重速率和最大失重速率对应温度均高于厨余垃圾,而热解质量残留率低于厨余垃圾。废轮胎的掺混比例为50%时,热解质量残留率和起始热解温度最低。1Fe2Ni催化剂在降低热解质量残留率方面显示出最佳的促进效果。分级HZSM-5表现出最佳的抗焦化性能。(2)通过热裂解-气相色谱/质谱联用仪实验研究了厨余垃圾、废轮胎及其混合样品的快速催化热解产物分布。研究结果表明,废轮胎的最佳掺混比例为75%,该比例显著地促进有机产物和烃类产物的生成并抑制非烃类产物的生成。2Fe1Ni催化剂在促进有机产物和单环芳香烃产物生成方面表现出最佳的催化效果。(3)利用傅里叶变换红外光谱仪检测了厨余垃圾和废轮胎混合热解过程生成的气相产物。研究结果表明,厨余垃圾和废轮胎混合热解一定程度上促进了烃类(C-H)的生成和抑制NO和NH3的生成。(4)利用氮气物理吸附、扫描电子显微镜、X射线衍射等方法对碱处理和负载铁、镍改性HZSM-5沸石催化剂的物化特征进行分析。研究结果表明,原HZSM-5和改性HZSM-5均具有一定的介孔结构,2Fe1Ni催化剂具有更多的介孔结构。经改性处理后,HZSM-5的总比表面积和孔容积有较大程度下降,外比表面积和平均孔径则显著增加。改性HZSM-5仍保留了原HZSM-5的骨架结构。(5)采用等转换率Ozawa-Flynn-Wall方法和Kissinger-Akahira-Sunose方法建立了厨余垃圾和废轮胎的混合催化热解动力学模型。研究结果表明,厨余垃圾和废轮胎混合热解以降低表观活化能的最佳比例为1:1。碱处理HZSM-5在降低催化热解过程的平均表观活化能方面表现出更好的催化性能。综上所述,混合催化热解综合利用了厨余垃圾与废轮胎,提高了烃类产物的产率,提升了热解油的能源价值,使之有潜力升级为汽油和柴油类燃料,有较好的应用前景。
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