热化学转化研究组知识库

随着城市建设的发展和人们生活水平的提高，逐年增加且成分复杂的城市固体废弃物的处理和处置问题日益突出。在解决其所引发的环境问题的同时实现城市垃圾资源化利用业已引起研究者的广泛关注，以资源化和能源化为目标的热解技术为城市固体废弃物高效处理提供了一条有效的途径。针对非均质多样组分的城市固体废弃物的热解过程中存在的问题，本文研究了城市固体废弃物中塑料橡胶、木质纤维素、织物和厨余等4大类可燃组分中17种典型基元组分单组份热解和多组分共热解反应过程，构建了相应的反应动力学模型，利用管式热解炉分析了典型基元组分热解过程传质传热影响规律，为可燃性城市固体废弃物的热解反应提供理论依据。

利用热重红外联用(TGA/FTIR)技术，对17种典型基元组分进行热解研究，比较了4大类组分热解过程的差别，分析了热解过程的反应特性、逸出气体成分以及反应机理。实验研究表明，各组分热解特性差别较大，其中塑料类和织物类最难热解，厨余类组分热解起始温度最低，最易热解；塑料类组分的逸出气体成分较多，能够初步推断出各组分热解过程的反应机理，其余组分主要热解产物为CO2和H2O。

基于热重平台对PE、微晶纤维素、土豆、涤纶4种基元组分进行了单组份热解及动力学模型研究，采用Freeman-Carroll法对单组份热解进行数据处理，从20种常用的固相反应机制函数中遴选出最优解，利用优化的数学函数和动力学参数建立单组份动力学模型。研究表明：PE热解的主要反应阶段的最优固相反应模型是球形相界面反应模型；纤维素的最优模型是三维扩散模型；土豆和涤纶的最优模型为1.5级化学反应模型。

对4种基元组分进行不同比例的两组份混合共热解研究，研究了组分间相互作用规律，结合单组份热解动力学模型，引入相互影响校正系数，构建了相应的组合动力学模型并对其可靠性进行了验证。研究结果表明PE/纤维素、PE/土豆组合热解过程没有相互影响或者影响作用微小；PE、纤维素、土豆三种组分与涤纶共热解时，与涤纶发生协同作用，促进涤纶热解；纤维素/土豆共混时土豆对纤维素的热解起到抑制作用。在此基础上建立并验证了各组合的动力学模型。

利用管式热解炉对城市固体废弃物典型基元组分热解过程传质传热影响规律及产物特性进行了研究。研究表明PE、涤纶两种组分在不同的平台上热解失重情况差距不大，两者比较吻合。说明这两种组分在管式热解炉上进行的热解过程，传质传热没有受到影响。相比之下，纤维素和土豆的在管式热解炉上的失重情况严重滞后于热重平台。PE、纤维素、土豆产物中焦油与气体比例持平，随着反应温度上升，气体比例有所增加；涤纶热解产物主要为气体成分，焦油含量很少。

With urban construction development and improvement in standard of living, the production of Municipal Solid Waste (MSW) is increasing every year and disposal of MSW has become an important environmental issue. MSW is an inhomogeneous mixture of various components, and its components change with the different regions and seasons. MSW pyrolysis technology is getting concern of researchers as not only can decrease emission of poisonous matters but also can effectively utilize waste as one kind of resource. In this paper, the pyrolysis processes of 17 kinds of MSW components were studied, all of them were divided into 4 parts: plastics and rubbers, lignocelluloses, textile, and kitchen waste. Based on the results of Thermogravimetric Analysis, the kinetic models of 17 kinds of MSW components and the mixture of 4 parts have been proposed. The influences of platform scale on the performance of heat and mass transfer were tested on the tubular furnace platform. 

The pyrolysis behavior of 17 kinds typical components of MSW were investigated by Thermogravimetric Analysis combined with the Fourier transform infrared spectrometer (TG/FTIR). The pyrolysis characteristics, evolved gas and reaction mechanism of components were determined. The result showed that the pyrolysis characteristics vary from component to component. The starting pyrolysis temperature of kitchen waste are lowest, kitchen waste are the most reactive. On the contrary, the plastics are hardest decomposed. The evolved gases of plastics are abundant enough to deduce the reaction mechanisms of the pyrolysis process. The main evolved gases of other components are carbon dioxide and water. Based on the comparison with the behaviors of different components, polyethylene (PE), microcrystalline cellulose, potato, terylene(PET) were chosen to deduce the multi-components’ co-pyrolysis kinetic model.

The 4 kinds of components were studied for co-pyrolysis kinetic modeling. The TGA experimental data were processed by Freeman-Carroll method. 20 kinds of mechanism functions of solid-state reaction were applied for each component proylysis behavior, and then the fitting results were compared for the optimum solution. The optimizing mechanism function and kinetic parameters were used to deduce the single-component kinetic model. The data showed that globular symmetry phase boundary reaction mechanism is suitable for the pyrolysis process of PE; 3D diffusion reaction mechanism is suitable for the pyrolysis process of cellulose; 1.5 order chemical reaction mechanisms is suitable for the pyrolysis process of potato and PET.

Co-pyrolysis behaviors of the 4 kinds of components were studied by different mix ratios. The results showed that the components in PE/cellulose, PE/potato model do not influence teach other; PE, cellulose, and potato accelerate the reaction rate of PET; the reaction rate of cellulose be restrained by potato in cellulose/potato model. On this basis, the correction factor method were introduced to build multi-components’ co-pyrolysis kinetic model, and then the reliability of the model was tested.

Finally, the influences of platform scale on the performance of heat and mass transfer were test on the tubular furnace platform. Compared with PE and PET, the pyrolysis processes of cellulose and potato are influenced by the different sample scale. The prolysis process of PE and PET are similar in TGA and tubular furnace platform, but the pyrolysis processes of cellulose and potato delay in tubular furnace reactor obviously. The ratio of tar and gas are roughly equally, and the ratio of gas increase with temperature. The main products of PET pyrolysis are evolved gases.