目前,化学链技术处理煤、生物质等碳基固体燃料方面的研究主要聚焦于载氧体的设计及反应器的开发。安梅等以CuFe2O4为载氧体对羊肠煤的化学链气化进行了探究,发现CuFe2O4在反应中不仅能够提供晶格氧还能催化分解CO2,具有良好的反应活性和催化活性。
巩明鑫等对煤焦油化学链热解进行了Aspen Plus模拟,发现在900 ℃、载氧体/煤焦油摩尔比为5.2、操作压力0.75 MPa、反应时间3 s时炭黑的产率最大。而化学链转化处理有机固体废物的研究则主要关注处理过程的产物分布、最优工况的操作条件及动力学行为。
刘永强等将铜基载氧体与可燃固体废弃物进行化学链燃烧,研究发现聚乙烯、厨余等可燃固体废物主要在200～500 ℃进行热分解,生成CH4、H2和CO等可燃气体;
同时也证明了Cu80Si950载氧体是一种转化率好、稳定性高的适用于固体废物化学链燃烧的载氧体。Chen等研究了城市生活垃圾化学链燃烧、气化过程中镉迁移转化规律,结果表明,铜基载氧体和铁基载氧体在850 ℃下均可将元素镉转化为氧化镉,经过5次循环的化学链气化后载氧体中镉质量数由7.1 mg/kg增加到33.3 mg/kg,对镉的平均捕集效率为85%。
Pimenidou等对地沟油化学链重整制氢进行了研究,发现在蒸汽/碳体积比为4、温度为600～700 ℃的最优条件下H2产量最高。
Wang等在研究塑料垃圾化学链燃烧时发现,最佳操作参数为反应温度900 ℃、供氧比为2.5(摩尔比)、流化气由体积分数40%的水蒸气和60%的N2组成;在研究塑料垃圾化学链燃烧动力学时,对基于热重分析仪进行的非等温热解实验。
采用等转化率方法Flynn-Wall-Ozawa(FWO)法和Kissinger-Akahira-Sunose(KAS)法计算了非等温动力学参数,求得的活化能分别在97.81～209.62 kJ/mol和85.63～214.28 kJ/mol之间;对基于流化床进行的等温热解实验采用3-D growth of nuclei model模型来描述Fe2O3还原为Fe3O4的过程,并对载氧体的还原反应动力学参数进行了计算。
研究人员在化学链转化处理有机固体废弃物领域已进行了一系列深入的研究,但目前关于油漆废渣的化学链气化特性研究还停留在初步概念设计阶段。油漆废渣化学链气化的研究挑战在于油漆废渣成分复杂,导致油漆废渣化学链气化机理以及产物生成动力学行为尚不明确。目前,适用于化学链气化的载氧体主要是以Fe、Mn、Ni、Cu等为代表的过渡金属元素。笔者以含钛油漆废渣为研究对象,通过铁基载氧体Fe2O3对油漆废渣行了化学链气化,基于热重分析仪对油漆废渣慢速升温化学链气化行为以及动力学特性进行了研究,通过管式炉-在线质谱仪联用对油漆废渣快速升温化学链气化气相产物分布及动力学特性进行了研究。
1 实验部分
1.1 材料和试剂
采用的材料主要有油漆废渣(PS)和载氧体Fe2O3。Fe2O3为分析纯试剂,购置于天津市大茂化学试剂厂。将Fe2O3分别按照质量分数10%、30%和50%与油漆废渣混合,振荡器搅拌均匀后置于干燥容器中备用,样品分别命名为PS-Fe-10、PS-Fe-30、PS-Fe-50。未掺混Fe2O3的油漆废渣的工业分析、元素分析及灰分含量如表1所示。
1.2 实验装置及条件
1.2.1 慢速升温化学链气化实验
采用北京恒久科学仪器厂的HCT-3热重分析仪测试未掺混Fe2O3的油漆废渣(PS)的热解行为特性以及掺混Fe2O3的油漆废渣(PS-Fe-10、PS-Fe-30、PS-Fe-50)的慢速化学链气化行为特性。
