喷雾热解法加热壁温对铈锆固溶体生产过程的影响

【目的】为了探究喷雾热解过程中加热壁温对铈锆固溶体生产过程的影响,分析热解炉内的流量场和浓度场的变化情况,实现对热解炉的设计优化。【方法】采用数值模拟的方法,建立喷雾热解炉的物理模型,分别探讨加热壁温对铈锆固溶体在热解炉的不同阶段及热解炉中水蒸气分布和HCl分布的影响。【结果】当热解温度为850℃时,液滴的反应主要分2个阶段,在炉膛高度为0~0.05 m处,为加热蒸发阶段,在炉膛高度为0.05~0.6 m处,为稳态热解阶段。当炉壁温度为550~650℃时,在炉膛高度为0.9 m处温度变化放缓,喷雾处于稳定热解阶段;而壁温在750~850℃时,在炉膛高度为0.6 m处温度变化放缓;当壁温为850℃时,在炉膛高度为0.1~0.6 m处的温度曲线斜率最大,液滴达到稳定蒸发阶段的时间缩短,水分蒸发变快,热解时间变短。【结论】炉壁加热区的温度越高,HCl生成的速度越快,速度的最大值越小,在炉膛高度为0.4 m处速度变化最大,达到1.6 m/s左右;并且整体HCl生成的量随温度的升高而增大,平均速度变化随着热空气温度的升高而减小。

咖啡渣和去油咖啡渣热解特性的试验研究

【目的】研究咖啡渣(spent coffee grounds,SCG)和去油咖啡渣(defatted coffee grounds,DCG)的热解特性并计算其热解动力学参数,分析两者在不同温度下热解三相产物的变化规律,实现废弃咖啡渣的二次利用。【方法】采用管式炉、热重(thermogravimetry,TG)试验和热裂解-气相色谱-质谱联用仪(pyrolysis-gas chromatography mass spectrometer,Py-GC-MS)开展了热解产物分布和热解特性的研究,采用Flynn-WallOzawa(FWO)法计算了热解动力学参数。【结果】热重分析结果表明,SCG和DCG热解可分为4个阶段,主要热解温度范围为200~400℃,并且在300℃左右时失重率最大,升温速率可促进热解反应的进行。动力学计算结果表明,当转化率由0.1提高至0.7时,SCG和DCG的活化能均随之不断升高,转化率由0.7提高至0.9时,两者活化能均随之有所下降;SCG和DCG的平均活化能分别为293.58和307.86 kJ/mol。Py-GC-MS分析表明,SCG主要热解产物包括芳香族、酚类、醛类等化合物,DCG主要热解产物包括醛类、酚类、杂环类、酯类等化合物,在热解阶段,随着热解温度的升高,芳香族、酚类、杂环类化合物相对含量减少,醛类化合物相对含量先增加后减少。管式炉热解试验结果表明,SCG的热解产物中生物油产率较高,DCG的热解产物中焦炭产率较高。【结论】SCG和DCG在合适的温度下进行热解,有利于酚类、芳香族化合物等重要工业原料的回收,实现其高值化利用。

废旧电脑电路板预处理及常规和微波热解特性研究

废旧印刷电路板中含有丰富的金属及非金属资源,具有较高的资源回收价值与潜在环境危害性。在常规和微波热解条件下,对废旧电脑电路板脱锡预处理及相关热解条件对热解产物的分布规律及影响机制进行研究。结果表明:脱锡预处理对废旧电脑电路板的热解有正向影响,可以使废电路板中的有机材料热解更充分,脱锡预处理后Sn含量从4.10%降低至1.54%,Sn的回收率达68.49%;在常规和微波热解条件下,升高温度可以获得更多的液体和气体产物,但相同温度下微波热解得到的固体产物更多,常规热解后铜含量从热解前的19.17%升高到25.37%,微波热解后铜含量从热解前的19.17%升高到23.32%,铜的回收率达到99.22%以上;热解后绝大部分的溴元素进入到热解油与热解气中,微波热解油中酚类物质含量大于常规热解,呋喃类物质少于常规热解,常规和微波热解气中H_(2)、CO、CH_(4)总量分别达到76.4%和80.7%,热解气体热值分别为18.78 MJ/Nm^(3)和19.97 MJ/Nm^(3),热解气热值介于煤气与天然气之间,可作为燃气使用。综合对比常规热解与微波热解,微波热解金属回收率更高,热解气体中呋喃类物质更少、热解气热值更高,更有利于电子废弃物中有价金属的综合回收利用。

中低温煤焦油沥青组分的热解特性及动力学研究

中低温煤焦油沥青(MLP)为人造炭材料的重要原料,研究其组分的热解特性及动力学对高品质中低温煤焦油沥青基炭材料的制备具有重要意义。以中低温煤焦油沥青为原料,分别采用正丁醇(BA)和二甲基亚砜(DMSO)为萃取剂以获得4种沥青组分,通过热重分析仪对中低温煤焦油沥青和4种族组分的热解行为进行研究,利用Flynn-Wall-Ozawa法、Kissinger-Akahira-Sunose法和Satava-Sestak法计算热解活化能以及热解动力学参数。结果表明:MLP、DMSOS、BAI组分的热解反应机理符合随机成核及其后续增长模型,最佳热解机理函数分别为G(α)=[-ln(1-α)]^(4/3)、G(α)=[-ln(1-α)]^(4)、G(α)=[-ln(1-α)]2,活化能分别为73.99、180.20、46.09 kJ/mol,lg A分别为5.82、13.57、3.32;BAS组分的热解反应机理符合二维扩散模型,最佳热解机理函数为G(α)=α+(1-α)ln(1-α),E=85.36 kJ/mol,lg A=6.18;DMSOI组分的热解反应机理符合二维扩散或三维扩散模型,最佳热解机理函数为G(α)=[1-(1-α)^(1/3)]^(2),E=64.42 kJ/mol,lg A=4.00。

煤热解研究进展及其发展历程

在应对“碳中和”的挑战中,我国学者提出了“工程热化学”这一新兴学科。煤热解是一种重要的热化学反应,是工程热化学领域的重要研究内容。面对日益增长的能源需求以及不断恶化的世界环境,煤炭清洁高效利用成为我国的重大战略需求。全面了解煤热解过程,完善煤热解理论,准确描述煤热解动力学机理,是开发煤的高效热解的基础。本文首先介绍了煤热解的概念、分类及热解过程,进而总结了煤热解机理的研究进展,针对煤热解的ReaxFF MD分子动力学以及热分析动力学进行了详细的分析。阐述了热解过程发生的主要反应、反应的影响因素以及热作用过程中矿物质及杂原子对反应的影响。最后对煤热解工艺发展历程和示范应用进行了总结。

快速和慢速热解对棉秆生物炭理化特性及土壤持水量的影响

以新疆棉秆为原料,在300~700℃下利用快速和慢速热解方式制备了生物炭,研究了快速和慢速热解对棉秆生物炭形貌、表面官能团、pH值、元素组成的影响.利用室内土柱试验,研究了不同条件下制备的生物炭对土壤持水量的影响.结果表明:1)随着热解温度的升高,生物炭产率下降,pH值提高,孔隙度增加.快速热解生物炭具有孔隙发达、芳香性高、稳定性强的优点.2)土壤持水量随着生物炭添加量和热解温度的升高而提高.生物炭添加量为0.03 g/g时,土壤持水量分别为51.7%和49.7%,比未添加生物炭提高了32.5%和27.4%.3)添加生物炭土壤15 d后保水量仍有40.3%,远高于纯土壤,且添加快速热解生物炭的土壤保水量高于慢速热解生物炭.

脱碱赤泥对餐厨垃圾催化热解产物分布的影响

本文采用固定床反应器、气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)、荧光分光光度计(UV-F)和原位红外(In-situ DRIFTS)等方法探究了不同热解温度下脱碱赤泥对餐厨垃圾热解产物分布的影响.结果表明,相同热解温度下,脱碱赤泥能够抑制热解气的生成,促进热解油的生成且在450℃时产率最高为39.46%.热解油主要以脂肪酸、N化合物和酯类为主.由于脱碱赤泥不仅能促进甘油三酯的分解产生长链羧酸,还能促进了蛋白质裂解产生芳香蛋白类物质,使得热解油中的酸类含量增加和芳构化程度加深.同时热解焦中的羧酸官能团和C≡N吸收峰显著升高进一步验证了脱碱赤泥能够促进热解油中酸类和N化合物的生成.

氯化铈液滴在喷雾焙烧反应器热解过程的数值模拟研究

Ruthner型喷雾焙烧反应器具有节能、环保和副产物可回收利用等诸多优点,其已被广泛应用于回收钢铁工业酸洗液,但在CeO_(2)颗粒制备领域还没有应用。当前对实心球形CeO_(2)颗粒的需求不断扩大,使得应用Ruthner型喷雾焙烧反应器规模化生产CeO_(2)颗粒具有诱人的前景。由于焙烧反应过程难以通过试验表征,使用ANSYS Fluent仿真软件对焙烧反应过程进行仿真模拟,可直观表现出CeCl_(3)热解生成CeO_(2)颗粒的过程。本研究首先通过热重试验,验证了铁元素的氯化物和铈元素的氯化物的热解过程完全一致,只是温度不同:CeCl_(3)液滴在200℃时完全失去自由水,在500℃时完全反应;FeCl_(2)液滴在180℃完全失去自由水,在420℃时完全反应;FeCl_(3)液滴在160℃完全失去自由水,在410℃时完全反应,因此使用处理酸洗液的反应器生产CeO_(2)颗粒理论上可行。进一步,通过使用仿真软件包中的两相流、组分输运等模型,探究反应器内温度场、速度场和浓度场等分布,结果表明在反应器内部,某区域内温度越高,对应的气流、颗粒运动速度就越快。

连续式生物质热解炭化设备设计与试验

针对现有生物质热解炭化设备生产效率低、设备运行不稳定、生产连续性差及需引用外部热源加热致使耗能高等问题,采用热解可燃气回燃利用方案,设计了一种双筒回转连续式生物质热解炭化设备。详细介绍了生物质热解炭化设备的结构和工作原理,并进行热解炭化试验测试。试验表明,热解温度450℃、物料平均滞留时间30 min时,生物质热解炭化设备纯小时生产率103.8kg/h、生物炭得率34.6%和出炭温度47℃,各项性能指标均达到设计要求,可实现连续运行生产生物炭。

辣椒秆与LDPE共热解特性及其炭化产物还田适宜性评价

针对中国部分地区农作物秸秆与农膜处理难的问题,利用外加热热解工艺,开展了辣椒秸秆(CS,chili straw)与低密度聚乙烯(LDPE,low density polyethylene)的共热解试验,研究了不同掺混比和热解温度对共热解产物产率、特性及共热解炭还田指标的影响。结果表明,混合样品的分解主要有脱水、挥发分析出、聚合物降解和焦炭形成4个阶段。随着热解温度的升高,共热解炭的产率呈下降趋势,共热解气和共热解油的产率增加;共热解气的LHV(low heat value)处于8.6~14.5 MJ/m^(3)之间,共热解炭的LHV处于19.6~28.5 MJ/kg之间。此外,随着温度升高,共热解炭的挥发分逐渐减少,固定碳和灰分逐渐增加;共热解炭的比表面积处于0.4~2.2 m^(2)/g之间,与温度呈正相关,与掺混比呈负相关,共热解炭的pH值与温度呈正相关,整体处于10.1~12.5之间,掺混比对pH值的影响不明显;共热解炭的PAHs(polycyclic aromatic hydrocarbon)含量及TEQ(toxic equivalent quantity)毒性低于其他研究平均值,只有15%-500℃(LDPE质量分数为15%,在500℃热解)中PAHs总量超过EBC设定的优质级阈值(4 mg/kg)。高温条件下利于PAHs的分解,共热解炭用于还田应适当提高热解温度,为农村秸秆和农膜处理提供参考。

小麦秸秆热解过程中的热行为分析

热解温度和热解速率是影响小麦秸秆产物的重要因素。为探究温度与速率对小麦秸秆热解过程的影响,在Fluent仿真软件中建立小麦秸秆热解过程的动力学模型和热力学模型,分析其热行为,模拟不同升温速率和热解温度下小麦秸秆的热解过程。模拟结果表明,热解速率和热解温度越高,焦炭等固体产物产率越少,气体产物产率越多。

含油钻屑热解特性及产物资源化利用研究

热解技术是处理海上钻井平台含油钻屑的有效途径,而含油钻屑热解适宜的工艺条件与产物处理方式尚不清晰,工程化应用受限。通过热重分析仪与管式炉实验平台分别开展含油钻屑热解特性与产物资源化利用研究。结果表明:含油钻屑热解过程主要包括水分干燥(40~130℃)、轻质油挥发(130~510℃)和重质油分解(580~800℃)三个阶段。温度对含油钻屑热解特性具有显著的影响效果,失重量随热解温度升高逐渐增大,恒温时间的影响效果较小;热解温度大于400℃,含油钻屑热解固相产物含油量<1%,可直接排海;液体产物可用于油基钻井液基油;气相产物可作为燃气直接燃烧二次利用。热解温度为500℃,恒温时间为10 min是含油钻屑处理较为适宜的工艺条件。

聚氯乙烯热解动力学及热解产物组成研究

采用热重法对聚氯乙烯(PVC)塑料进行热解实验,研究其热分解特性;采用Friedman法和?kvára-?esták模型计算PVC塑料热解反应的活化能和机理函数;采用气相色谱-质谱联用(GC-MS)、傅里叶红外变换光谱(FTIR)和X射线衍射光谱(XRD)等手段分别测定热解油、热解气和热解残渣组成。实验结果表明:PVC塑料的热解反应主要分为2个阶段,第一阶段热解发生在250~390℃之间,质量损失约为65%,其平均活化能为152.58 kJ/mol,热解反应机理为二级化学反应;第二阶段热解发生在390~560℃之间,质量损失约为29%,其平均活化能为231.52 kJ/mol,热解反应机理为随机成核和随后生长模型。GC-MS结果表明:PVC塑料的热解油气组成主要包括烷烃、烯烃、含氯有机物和芳烃化合物,热解残渣主要由石墨碳组成。研究结果可为废塑料脱氯和资源化利用提供理论基础参考。

废弃一次性医用外科口罩热解动力学分析

为了研究一次性医用外科口罩的动力学特性,在非等温条件下,对口罩的各个组分及混合组分进行热重分析法(TGA)实验,实验结果表明,除了耳绳以外,其余部分裂解特性基本相似。利用无模型法F-W-O法、K-A-S法和Starink法得到的一次性医用外科口罩的平均活化能分别为214.4、213.5和213.1 kJ/mol,利用模型拟合法得到的活化能为216 kJ/mol,与聚丙烯的活化能值相差约5%。在升温速率为40 K/min的条件下,采用无模型法得到的活化能和模型拟合法的结果作为依据,推断出一次性医用外科口罩的热解机理属于随机成核随后生长模型,并构建补偿效应方程验证动力学参数的准确性,为废弃口罩裂解工艺设计和循环再利用提供了理论基础。

热解碳化与热解气化技术处理市政污泥的分析比较

污泥热解技术可实现市政污泥减量化、稳定化、无害化和资源化处置,极大地减少了污泥处理处置过程所带来的环境问题。热解碳化和热解气化作为污泥热解技术的2个分支,国内却对这2个分支技术分析比较研究较少。以深圳葵涌水质净化厂拟建污泥热解项目为案例,从基本原理、热解装置、工艺流程、运行成本等方面进行分析,围绕技术相对成熟的回转窑和固定床进行了重点论述。2种技术各有优势,热解碳化具有投资和运营成本低、占地面积小、邻避效应不明显等优点,热解气化具有污泥彻底处置、设备可实现大型化等优点。建议市政污泥处置规模在100 t/d及以下,并且邻避效应风险较高地区,优先选择热解碳化技术,否则优先选择热解气化技术。

棉秆和油页岩共热解生物炭的氨氮吸附性能研究

使用棉秆(CS)和油页岩(OS)为原料,采用共热解的方式制备了共热解生物炭,探究了对氨氮的吸附性能。考察了不同热解时间、CS和OS比例、热解温度、CS的粒径对共热解生物炭的氨氮吸附量的影响规律,确定了最佳制备条件,并研究了吸附动力学和吸附等温线模型。研究表明,棉秆和油页岩共热解后生物炭的结构特性和表面形貌有较大改善,对氨氮的吸附能力有明显的提高。最佳的制备条件是热解温度为500℃、m(棉秆)∶m(油页岩)=3∶1、热解时间为30 min和CS的粒径为0.20~0.30 mm。在投加量为10.0 g/L、pH 9.0时,最佳条件所制备炭的吸附量为4.89 mg/g,是棉秆生物炭的2.2倍。吸附过程以准二级动力学和Langmuir等温吸附模型描述。吸附机制主要包括为离子交换、静电吸附和配位作用。

含油污泥共热解的研究进展

对含油污泥共热解现状进行了概述,包括与生物质、煤、生活废弃物等进行共热解,对共热解的影响因素以及共热解残渣应用现状等方面的总结,明确了在共热解过程中,含油污泥与不同添加剂共热解的协同作用机制以及共热解残渣的应用是今后的重点研究方向,以期为含油污泥共热解技术开发及共热解残渣的资源化利用提供合理、可行的路径。

纤维素生物质与废塑料共催化热解制取富烃液体燃料的研究进展

生物质能是国际公认的零碳可再生能源,其高效利用成为缓解能源与环境危机的关键,并对中国实现“碳达峰”和“碳中和”的目标具有重要意义。纤维素生物质与废塑料的共催化热解技术,不仅能制备高附加值的富烃液体燃料,还可达到“以废治废”的目的,进而实现生物质与废塑料的高效资源化利用。本工作从生物质与废塑料高值化利用的角度出发,对生物质和废塑料共催化热解制备富烃液体燃料的研究现状进行了综述,介绍了纤维素生物质和废塑料的基础化学特性差异,论述了废塑料种类、催化剂种类、物料和催化剂比例、催化热解温度等因素对生物质和废塑料共催化热解生物油产率和品质的影响,阐述了生物质和废塑料单独催化热解过程中的化学反应机理,并揭示了共催化热解过程中的协同反应机理,展望了该领域未来的发展方向,为生物质与废塑料的高附加值利用提供参考与思路。

PVC塑料与橡胶的催化热解反应产物分布规律研究

采用管式炉热解装置进行了聚氯乙烯塑料(PVC)和橡胶在ZSM-5、HZSM-5和HY三种催化剂作用下的热解反应,利用气相色谱-质谱联用(GC-MS)分析热解产物的成分。结果表明,PVC与橡胶的共热解过程,随着催化剂的引入及PVC与橡胶掺混比改变,产品的烃类组分显著变化。HZSM-5催化剂作用下PVC与橡胶共热解的芳烃收率最高,可达77.37%。HY催化剂作用下热解油中单环芳烃向双环芳烃的转化最高,可达56.64%。在PVC橡胶共热解添加HY催化剂1∶1∶1时,多环芳烃组分产率最高,达到23.43%。

陕北富油煤分子模型构建及其热解提油分子动力学特性

【目的】富油煤结构复杂,热解反应过程与机理不明晰,需要进一步研究富油煤结构与其热解产物分布的构效关系,明晰富油煤热解提油机理。【方法】以陕北典型富油煤为研究对象,结合^(13)C NMR、FTIR和XPS等表征方法,计算并构建富油煤分子模型,分子式为C_(444)H_(380)O_(74)N_(8)S。基于构建的富油煤分子模型,通过ReaxFF MD对陕北富油热解产物分布、热解特性以及焦油生成机理进行了深入分析。【结果和讨论】结果表明,陕北富油煤具有大量脂肪侧链和桥键等富氢结构,受热容易分解生成焦油和气体等挥发分。温度和升温速率对富油煤热解产物分布影响显著,模拟热解温度在1500 K时富油煤没有完全反应,挥发性产物质量分数为7.8%;模拟热解温度升高至2000~3000 K时,分子及自由基碎片运动越剧烈,二次反应也更明显。随着升温速率的增加,气体产物降低,而焦油产物先增加后减少;升温速率在100~200 K/ps时,富油煤没有完全热解,导致挥发分产率低于36%。根据热解产物分布推测,陕北富油煤热解反应机理是富油煤大分子中富氢结构受热断裂形成自由基碎片,进一步发生热解生成轻质焦油、重质焦油和气体产物。