可燃固体废弃物热转化动力学及其基元表征体系研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 张金芝 |
| 答辩日期 | 2016-05 |
| 文献子类 | 博士 ; 学位论文 ; 博士 ; 学位论文 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 北京 |
| 导师 | 张金芝 |
| 关键词 | 可燃固体废弃物 热解 气化 基元 分布式活化能模型 |
| 学位专业 | 化学工程 |
| 英文摘要 | 可燃固体废弃物热解气化处理技术由于在无氧或贫氧条件下进行，可以有效抑制二噁英的产生，是替代焚烧法最有前景的技术之一。可燃固体废弃物热解气化特性与反应动力学等基础科学研究对工业规模反应器的设计以及工艺参数的优化具有重要指导意义。本论文将复杂的可燃固体废弃物分为木材、食物残余、纸张、塑料橡胶和织物五大类，选取了纤维素、半纤维素、木质素、果胶、杨木屑、淀粉、蛋白质、土豆、白菜、米饭、桔皮、打印纸、报纸、生活用纸、棉、涤纶、羊毛绒、PE、PVC和橡胶共20种组分作为研究对象，利用热重分析仪和热重质谱联用仪全面系统地对可燃固体废弃物各组分的热解特性、水蒸气气化特性和热解气化动力学进行了研究，并在各组分失重曲线的基础上，试着建立了一种基元表征体系，采用数量有限的基元预测复杂可燃固体废弃物的热化学反应行为。主要研究内容包括以下几个方面：（1）在环境气氛为氮气，升温速率为5 K min-1的条件下对20种组分的热解特性进行了详细研究。结果表明，对于纸张类和食物残余类来说，每一类别中各物质的热解行为非常相似：在纸张类中，打印纸、报纸和生活用纸三种物质的失重区间均较窄，失重区间为540~650 K；在食物残余类中，淀粉主要失重区间为500~733 K，土豆和米饭的失重特性与淀粉非常相似。然而，对于木材、塑料橡胶和织物来说，每一类别中各物质的热解行为却具有明显差异：在木材类中，纤维素、半纤维素和木质素三种组分的热解行为差异较大，半纤维素最先开始分解，纤维素次之，木质素最难分解；在织物类中，羊毛绒的失重区间为540~740 K，棉的失重区间为500~640 K，羊毛绒比棉更难分解；在塑料橡胶类中，PE呈一段式失重，PVC呈两段式失重，橡胶呈现三段式失重。（2）获得了20种组分在水蒸气气氛下的失重曲线。首先，将各组分在水蒸气气氛下的失重曲线与惰性气氛下的失重曲线进行了对比，结果表明，木质素、半纤维素、杨木屑、白菜、打印纸、果胶、玉米蛋白、棉和羊毛绒在水蒸气气氛下的热失重过程可分为热解和气化两个阶段。与惰性气氛下的失重曲线相比，在温度低于850 K时，水蒸气的存在对各组分的失重过程几乎没有影响；但是，当温度高于850 K时，水蒸气促进了半焦或固定碳的气化反应，产生了一个新的失重阶段。其次，利用热重质谱联用仪对热失重过程所产生的CH4、CO2、CO和H2四种轻质气体进行了分析，结果表明，在热解阶段，这些轻质气体的逸出曲线与失重变化率曲线（Differential Thermal Gravity, DTG）的走势基本一致，说明热解过程中产生了CH4、CO2、CO和H2；在气化阶段，CO2和H2的逸出曲线与DTG曲线走势一致，进一步验证了在热解阶段产生的半焦和固定碳与水蒸气发生了反应。（3）基于多峰拟合法，建立了一种可用于描述可燃固体废弃物的热解气化行为的新型多高斯分布式活化能模型。结果表明，多高斯分布活化能模型对20种组分的拟合曲线与试验曲线吻合良好。利用模式搜索法获得了20种组分的热转化动力学参数：热解阶段和气化阶段的活化能分布范围分别为150~270和280~330 kJ mol-1，气化阶段的活化能明显高于热解阶段；采用主曲线法获得了各组分热解和气化阶段的动力学机理函数。（4）基于可燃固体废弃物的热失重行为，初步建立了一种基元表征体系，确定了纤维素、半纤维素、木质素、淀粉、果胶、蛋白质、涤纶、橡胶、PE和PVC共10种物质作为基元。在基元线性表征的基础上，重点考察了双基元的交互作用规律，建立了用双基元混合反应特性重构多组分混合反应特性的方法，采用9种实际典型可燃固体废弃物验证了基元表征方法的可靠性。根据基元表征方法获得的热化学反应动力学参数与多高斯分布活化能模型求取的动力学参数吻合良好。 |
| 学科主题 | 热化学转化 |
| 语种 | 中文 |
| 公开日期 | 2016-06-30 |
| 源URL | [http://ir.qibebt.ac.cn/handle/337004/9765]  |
| 专题 | 青岛生物能源与过程研究所_热化学转化事业部 |
| 作者单位 | 中国科学院青岛生物能源与过程研究所 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 张金芝. 可燃固体废弃物热转化动力学及其基元表征体系研究[D]. 北京. 中国科学院大学. 2016. |
入库方式： OAI收割
来源：青岛生物能源与过程研究所
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