钾催化生物质/低密度聚乙烯共热解热重动力学及热解产物分析

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生物质/塑料共热解可将生物质/塑料有效转化为高附加值的气、液、固产物,对实现固体废弃物的高效清洁利用及环境可持续发展具有重要意义。利用生物质/塑料共热解技术将生物质和塑料转化成清洁能源具有广泛的应用前景。本项目侧重对钾催化条件下生物质、塑料热解、二者共热解时的热解动力学、产物分布及焦气化反应性进行研究,主要研究如下:  (1)利用热重分析研究钾含量对杉木屑(WS, Wood Sawdust)及其与低密度聚乙烯(LDPE,Low Density Polyethylene)混合物的共热解行为和动力学。结果表明,WS/LDPE共混物的共热解特征与单独热解时差别较大,浸钾WS/LDPE混合物的失重组分加和值(理论值)与实验值差值(ΔW)高达-24.2%。钾影响WS/LDPE共热解特征参数,焦产率随钾含量增加而增加,而初始分解温度和热解峰温则随之减少。模型分析结果表明钾离子与纤维素结构中的C2和C6位羟基形成络合结构。动力学分析表明,WS和LDPE单独热解时可用单个一级反应描述,而共热解时可用三个一级反应描述,并在每个分解段均存在动力学补偿效应(KCE)。  (2)利用加压落管反应器研究了钾催化条件下生物质/塑料共热解产物分布及二者共热解相互作用,结果表明生物质/塑料共热解时存在较强的相互作用。气、液、固相产物产率实验值和理论值差值ΔW在-5%至6%范围内变化。多数情况下,钾浸渍使固体产率和气相产率升高,而液相产率下降。说明钾可以催化焦油分解,并能促进缩聚成焦反应。通过控制合适的反应条件,特别是生物质/塑料配比及反应温度,可以提高轻质油收率,比如,在B/P比=1.0:1.0及550~600℃时,轻油产率高于理论加和值5~9%,因此利用钾催化生物质/塑料共热解时,较合适的热解温度为550~600℃,以得到更高产率的轻质油。在550℃、K负载量3.75%及B/P配比1.0:1.0的条件下,气、液、固产率分别为21.6%、59.5%和19.4%。  (3)进一步分析了钾催化生物质/塑料在B/P比等于1.0:1.0及550℃下共热解时产物元素组成及其相互作用。结果表明:生物质/塑料共热解时存在相互作用。共热解时液相产率较理论值低3.4-5.6%,而固相和气相产率较理论值均有所提高。与理论值比较,生物质/塑料共热解油中C含量较理论值增加约6~9wt.%,而O含量较理论值减少9~12wt.%。由于生物质中纤维素、半纤维素和木质素分解时产生的自由基参与塑料解聚反应使生物质/塑料之间有相互作用。生物质/塑料共热解时得到的重油主要是正已烷萃取物,正已烷萃取物中主要成分为石蜡油和烯烃。而生物质单独热解时得到的重油主要是二氯甲烷萃取物。与理论值比较,液相产物中C含量增加,相应地,气相中丙烯和乙烯浓度减少,类似地,液相产物中O含量下降,而气相中CO和CO2浓度升高,说明二者存在关联性,这是由于自由基反应使产物中相应的元素在两相(液相和气相)间转移所致。
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