废轮胎热解特性及硫迁移转化实验与机理研究

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随着交通运输行业的快速发展,废轮胎的产量迅速增加,其不当处置会对环境产生严重污染,已成为一种亟需减量化、资源化、无害化处理的固体废物。热解被认为是废轮胎高效并且低污染的处理方法之一。然而废轮胎的硫含量高,热解后硫向产物中迁移,高含量的硫与固液产品之间的相互作用机制尚不明确,这会对后续加工过程产生巨大影响。热解油必须经过脱硫和提质,才能进一步生产提炼高附加值苯甲苯二甲苯混合物(BTX)、高品质石脑油和橡胶填充油。因此,本文研究了热解温度、加热速率、原料粒径和催化剂对废轮胎热解产物特性的影响,进一步探讨了硫在热解过程中迁移转化路径和受不同工况的影响规律,以期为废轮胎热解脱硫和产物高值化利用提供基础理论指导。首先利用热天平对废轮胎进行了热解实验,结果发现废轮胎的热解可以分为三个阶段,第一阶段(200~320°C)是增塑剂和添加剂的分解,第二阶段(320~500°C)为天然橡胶NR与合成橡胶SR的分解,第三阶段(500~750°C)是一些高热稳定性大分子继续分解,释放出CH4和CO2。三个温度段的活化能依次升高,分别为74.58、135.60和177.164 k J/mol,加权活化能为129.81 k J/mol。废轮胎胶体通过不规则断链产生单体自由基,单体自由基进一步通过分解、结合和D-A环化(Diels-Alder reaction)的方式生成链烯烃、环烯烃、单环芳烃,环烯烃通过逆D-A环化生成链烯烃,链烯烃、环烯烃发生D-A环化和芳香化反应是多环芳烃的主要生成路径。通过固定床热解实验,发现在较低热解温度时,环烯烃、单环芳烃产率较高,在高温热解时,烯烃和单环芳烃通过D-A环化、芳香化产生更多的多环芳烃,极性化合物含量随温度升高逐渐降低;相对于快速热解,慢速热解时间更长,固态和气态产物产率分别上升3.4%和11.4%,液态产物产率降低14.8%,并且单环芳烃和茚、萘的产率降低,环烯烃和极性化合物的产率增加;随着废轮胎粒径增大,单环芳烃和茚、萘的产率先上升后下降,在粒径为0.8 mm时达到最大产率。小粒径更有利于环烯烃、多环芳烃生成,同时也能固定更多杂元素在固态产物中。ZSM-5和SAPO-34分子筛都具有增加链烯烃、环烯烃含量而降低单环芳烃含量的作用,SAPO-34因其更强酸性位点和更多的微孔而表现出更好的催化效果,对低碳链烯烃和环烯烃的选择性更高,高价值2-甲基丙烯、2-戊炔和DL-柠檬烯的含量分别可达到为20.6%、22.5%和31.5%。废轮胎热解过程中硫的主要迁移路线是废轮胎中的脂肪族硫和噻吩硫逐步分解转化并向液相和气相产物中迁移,亚砜硫、砜类硫、硫酸盐和无机硫化物主要保留在固态产物中,苯并噻吩、苯并噻唑、4,4’-双(四氢噻喃)和具有高露点的大分子含硫化合物大部分迁移至液相中,释放的含硫气体主要是H2S和COS。此外同时存在二次反应路径,初级挥发分中含硫化合物被分解生成H2S和COS,也可被吸收固定在固态产物中。H2S和COS也参与固相中无机硫化物、亚砜和砜类硫的转化,亚砜和砜类硫可进一步转化为硫酸盐。
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