垃圾低溫?zé)峤獾奶匦阅M及過程優(yōu)化

(華中科技大學(xué)中歐清潔與可再生能源學(xué)院，湖北 武漢 430074)

0 引 言

城市生活垃圾的處理與利用一直是令人頭疼的問題。傳統(tǒng)的填埋法、堆肥法以及燃燒法均存在不同程度令人詬病的問題。垃圾熱解技術(shù)是近幾年為解決垃圾焚燒過程中產(chǎn)生二噁英類有毒物質(zhì)而提出的新方法，將垃圾通過熱解而得到焦炭、半焦、焦油、熱解氣等再利用產(chǎn)品。垃圾熱解被廣泛認(rèn)同是21世紀(jì)的新型垃圾處理技術(shù)。

作為城市生活垃圾中的典型成分，塑料因其具有優(yōu)秀的綜合性能而被廣泛用于日常生活中，因此也帶來了一系列復(fù)雜的環(huán)境污染問題，隨著城市化進(jìn)程的加速，環(huán)境污染問題也日趨嚴(yán)重[1]。而除了其較為泛濫以外，塑料因其具有很大的再利用價(jià)值而受到國(guó)內(nèi)外的研究關(guān)注。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)塑料的熱解機(jī)理已經(jīng)進(jìn)行了十分成熟的研究[2-8]，同時(shí)國(guó)內(nèi)外研究人員針對(duì)塑料熱解規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究也做了很多的工作[9-16]，但利用軟件對(duì)熱解特性進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)這方面的研究還開展不多。文中將針對(duì)城市生活垃圾中的典型組分塑料進(jìn)行熱解模擬實(shí)驗(yàn)，建立熱解反應(yīng)模型并探究在熱解溫度、熱解氣氛、熱解組分的變化下產(chǎn)物的變化，重點(diǎn)將研究固體產(chǎn)物半焦的收率以及品質(zhì)變化，同時(shí)將分析氣體產(chǎn)物中碳排放以及污染氣體排放的變化。

1 建立熱解模型

1.1 垃圾熱解機(jī)理

垃圾的熱解機(jī)理研究主要來自于熱解動(dòng)力學(xué)的研究。熱解動(dòng)力學(xué)的研究可以得到具體的熱解函數(shù)與參數(shù)，為垃圾熱解的具體工程應(yīng)用提供支持。而垃圾的熱解原理實(shí)質(zhì)上為自由基的反應(yīng)過程，包括自由基的產(chǎn)生、縮聚、交聯(lián)以及加氫反應(yīng)等眾多反應(yīng)過程。垃圾熱解利用不同垃圾成分在熱解過程中的相似性，反應(yīng)開始先是有化學(xué)鍵斷裂，首先是弱鍵，例如-O-、-CH2-O-、-CH2-、-CH2-CH2-、以及-S-S-等化學(xué)鍵斷裂，這些與結(jié)構(gòu)單元相連的化學(xué)鍵先發(fā)生斷裂形成自由基。產(chǎn)生的這些自由基如果被氫化飽和就可以穩(wěn)定下來生成無機(jī)氣體或烴類氣體揮發(fā)分，但是如果沒有被氫化飽和，自由基之間就會(huì)彼此聚合從而形成半焦以及焦炭產(chǎn)物。因此熱解過程要實(shí)現(xiàn)的必要條件為外界提供的能量足夠使C-C鍵斷裂，產(chǎn)生自由基碎片從而促使熱解反應(yīng)的繼續(xù)。

1.2 Aspen Plus的建模過程及模型簡(jiǎn)化

Aspen Plus在對(duì)穩(wěn)態(tài)過程進(jìn)行模擬時(shí)一般采用序貫?zāi)K法(Sequential Modular Method)，它簡(jiǎn)化了系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)、設(shè)備和工質(zhì)情況，把實(shí)際的結(jié)構(gòu)和流程變化為軟件內(nèi)的典型模塊，Aspen Plus的模擬仿真過程就是對(duì)系統(tǒng)內(nèi)模塊實(shí)質(zhì)，即搭建的數(shù)學(xué)模型的求解過程。Aspen Plus流程模擬的步驟一般為：

(1)選擇合適的模擬模型

(2)將流程圖形化，將系統(tǒng)所含設(shè)備簡(jiǎn)化成軟件內(nèi)置的模塊，根據(jù)不同類型，選出對(duì)應(yīng)的模塊，用相應(yīng)的能流進(jìn)行連接，建立系統(tǒng)的工藝流程模擬圖。

(3)選擇合適的物性方法，不同的領(lǐng)域使用的方法不同，合適的物性方法對(duì)模擬結(jié)果的精確度至關(guān)重要。

由于垃圾熱解的過程十分復(fù)雜，在實(shí)際過程中所面對(duì)的工況多樣，所以在建立模型時(shí)，需要進(jìn)行一些相關(guān)的簡(jiǎn)化和假設(shè)。文中在使用 Aspen Plus軟件建模時(shí)，對(duì)熱解過程做以下簡(jiǎn)化，將熱解工藝簡(jiǎn)化為干燥、熱解、分離3個(gè)主要過程進(jìn)行模擬，原料中的H、0、S、N全部轉(zhuǎn)入氣相，灰分不參加氣化反應(yīng)。

在建模中假設(shè)以下條件：

(1)原料熱解反應(yīng)完全

(2)反應(yīng)爐內(nèi)處于穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，爐內(nèi)的溫度和壓力都保持恒定，爐內(nèi)發(fā)生的反應(yīng)都可以達(dá)到平衡。

(3)化學(xué)反應(yīng)快速達(dá)到平衡狀態(tài)。

(4)系統(tǒng)管道中沒有壓力損耗。

(5)原料中的 H 、0 、N 、S 、Cl全部轉(zhuǎn)為氣相，而 C 隨條件的變化不完全轉(zhuǎn)化。

(6)原料中的灰分為惰性物質(zhì)，在熱解過程中不參與反應(yīng)，其組分設(shè)置為非傳統(tǒng)組分。

(7)原料顆粒溫度均勻，無梯度。

(8)所有的反應(yīng)遵循Gibbs自由能最小化原理。

1.3 熱解模型的建立以及參數(shù)設(shè)置

表1是模擬時(shí)會(huì)使用到的一些模型。

表1 Aspen Plus部分模型介紹

熱解的工藝流程先后為高水分原料(文中選取塑料作為原料)經(jīng)熱氮?dú)饬髟诜磻?yīng)器內(nèi)干燥脫水，干燥后的原料在氮?dú)饬鲀?nèi)發(fā)生解聚和分解反應(yīng)，產(chǎn)生大量揮發(fā)物和分解產(chǎn)物。因此工藝流程可以分為3個(gè)單元，即干燥單元，熱解單元和分離單元。具體熱解流程如下：

(1)模塊選擇和物性方法

Aspen Plus在調(diào)用數(shù)據(jù)庫中不包含的“非常見物質(zhì)”時(shí)會(huì)考慮使其轉(zhuǎn)變成庫中已包含的物質(zhì)。由于垃圾所包含成分的復(fù)雜性，這類多變的物質(zhì)大多采用RYIELD模塊根據(jù)它們的工業(yè)分析和元素分析數(shù)值將它們轉(zhuǎn)換為常規(guī)的C、H、O、N、S、H2O等易于處理的元素。然后再進(jìn)入RGIBBS模塊利用吉布斯自由能原理得到模擬熱分解獲得的物質(zhì)，因?yàn)镚IBBS模塊通過達(dá)到化學(xué)平衡與相平衡，能夠很好的模擬垃圾熱解的過程。

Aspen Plus中所模擬的單元模型都需要假設(shè)其性質(zhì)計(jì)算方式從而獲得計(jì)算數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫中針對(duì)條件的不同有著與之對(duì)應(yīng)的計(jì)算方式，這也就是物性方法的實(shí)質(zhì)。其中，文中熱解模擬中所采用的方式選取為RKS-BM，而在對(duì)水蒸氣相關(guān)計(jì)算時(shí)選用STEAM-TA。

(2)物料流程

進(jìn)料選用城市生活垃圾中最難分解的典型組分塑料作為原料簡(jiǎn)化，進(jìn)料塑料(PLASTIC)先進(jìn)入RSTOIC模塊并通入熱N2進(jìn)行干燥，然后進(jìn)入RYIELD模塊將其分解為C、H、O、N、S等相對(duì)應(yīng)的單元素分子，半焦(SEM-CODE)和其他化合物組成的常規(guī)物流，將物流導(dǎo)入RIGBBS反應(yīng)器中，導(dǎo)出的熱產(chǎn)物HOTPRODUCT1物流將進(jìn)入SSPLIT分流器中分離半焦，HOTPRODUCT2物流則進(jìn)入兩相閃蒸器FLASH2中，將氣體GAS和熱解液混合物L(fēng)IQUID分離出來。

(3)其他參數(shù)的輸入

模型中采用的塑料工業(yè)分析和元素分析數(shù)據(jù)來自李厚洋等人[17]所做的實(shí)驗(yàn)研究，其數(shù)據(jù)在整個(gè)流程中有如下的假設(shè)與設(shè)定：進(jìn)料速度為10 000 kg/h；空氣的溫度設(shè)置為常溫25 ℃；N2的流量為50 000 kg/h；流程壓力均設(shè)置為101 kPa；熱解溫度設(shè)置為450 ℃。

1.4 原始模型模擬結(jié)果與可靠性驗(yàn)證

為了驗(yàn)證模型的可靠性，利用李厚洋等人[17]所做的塑料熱重分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，將本模型的工況調(diào)節(jié)至與其相同，將模擬所得到的數(shù)據(jù)如轉(zhuǎn)化率與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，見表1。

表1 塑料熱解模擬結(jié)果的模擬值與實(shí)驗(yàn)值比較

經(jīng)過對(duì)比，實(shí)驗(yàn)值與模擬值的多項(xiàng)結(jié)果誤差均在7%以內(nèi)，證明了本熱解模型的模擬具有一定的可靠性。

2 熱解溫度的影響

本節(jié)研究?jī)?nèi)容為反應(yīng)溫度對(duì)熱解反應(yīng)的影響，關(guān)注點(diǎn)為低溫范圍，因此選取300～450 ℃范圍內(nèi)，以10 ℃為增長(zhǎng)梯度，作為反應(yīng)溫度進(jìn)行模擬反應(yīng)。進(jìn)行完一組模擬實(shí)驗(yàn)后，在Blocks/PYRO/Setup下設(shè)置吉布斯反應(yīng)器的反應(yīng)溫度，反應(yīng)溫度設(shè)置為310、320、330、340 ℃等，直到450 ℃，得出一系列不同反應(yīng)溫度的模擬結(jié)果，進(jìn)而進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析。由于300～450 ℃主要發(fā)生的是熱解碳化過程，得到的主要產(chǎn)物為各種碳化物。因此本課題研究重心為反應(yīng)溫度對(duì)熱解產(chǎn)物中固體碳的影響，同時(shí)也關(guān)注氣體產(chǎn)物尤其是污染氣體排放與碳排放情況的影響。

2.1 熱解所得固體半焦收率的變化

轉(zhuǎn)化率是反應(yīng)原料的屬性，主要受原料的組分、種類等因素影響，同時(shí)與原料的結(jié)構(gòu)、礦物質(zhì)的種類和含量也有一定量的關(guān)系。在本模擬中，假設(shè)原料中所有的灰分都?xì)埩粼诠腆w產(chǎn)物半焦中，并且將過程的損耗忽略，收集產(chǎn)物半焦數(shù)據(jù)可得到熱解所得固體半焦的收率隨熱解終溫的變化。

在低溫區(qū)域內(nèi)，主要進(jìn)行的為熱解的第一階段，原料主要發(fā)生脫水反應(yīng)與脫氣反應(yīng)，因此隨著熱解溫度的不斷增大，原料逐漸分解，半焦的收率呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，從300 ℃的52.81%下降到450 ℃的50.22%。同時(shí)降幅呈減小趨勢(shì)，從400 ℃開始降幅變得較小，轉(zhuǎn)化率曲線變化已經(jīng)有所緩和，有趨于平穩(wěn)的趨勢(shì)，說明此時(shí)第一階段反應(yīng)進(jìn)程已較為深入，因此在450 ℃時(shí)熱解，半焦收率最小。同時(shí)由于不同溫度下半焦的成分組成也有很大差別，因此結(jié)合熱解碳的品質(zhì)來看，在該溫度范圍內(nèi)最佳熱解溫度還需要進(jìn)一步分析。

其中半焦收率的計(jì)算公式為：

(1)

式中,Wchar是半焦質(zhì)量，單位為kg；W0是原料質(zhì)量，單位為kg；A是原料中灰分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；M是原料中水分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

2.2 熱解所得固體半焦中n(H)/n(C)的變化

在低溫?zé)峤夥秶鷥?nèi)，熱解所得固體產(chǎn)物中氫元素的含量，尤其是n(H)/n(C)這一數(shù)值的變化可以直觀反應(yīng)熱解的進(jìn)程。

n(H)/n(C)的數(shù)值隨著熱解溫度的上升而逐漸下降，從300 ℃的0.69下降到450 ℃的0.587，且整個(gè)溫度變化范圍內(nèi)曲線接近線性變化，說明在低溫?zé)峤鈪^(qū)間內(nèi)氫元素的析出處于平穩(wěn)趨勢(shì)。熱解過程中原料中氫元素的減少主要有兩方面的因素：(1)熱解過程中各種烴類氣體的析出；(2)縮聚反應(yīng)導(dǎo)致氫元素的析出。依據(jù)圖2在熱解溫度為450 ℃時(shí)熱解固體產(chǎn)物半焦的品質(zhì)最為理想。

2.3 熱解所得固體半焦中碳含量的變化

熱解固體產(chǎn)物中碳的含量同樣可以反映出產(chǎn)物半焦的品質(zhì)特性，碳含量越高，半焦品質(zhì)就越好。在低溫?zé)峤夥秶鷥?nèi)，具體的碳含量的數(shù)值隨熱解溫度的變化曲線。

隨著熱解溫度的逐漸增大，熱解固體產(chǎn)物半焦中的碳含量呈上升趨勢(shì)，從300 ℃的53.3%增長(zhǎng)至450 ℃的54.13%。同時(shí)增幅呈減少趨勢(shì)，在300～400 ℃范圍內(nèi)增長(zhǎng)較為明顯，在400～450 ℃范圍內(nèi)增長(zhǎng)幅度趨于平緩，半焦中的碳含量趨于穩(wěn)定。這是因?yàn)樵?00～400 ℃溫度范圍內(nèi)，主要為熱解的第一階段，原料主要發(fā)生脫水反應(yīng)與脫氣反應(yīng)，原料中的水分與氣體成分析出導(dǎo)致固體產(chǎn)物碳含量逐漸增大。而400～450 ℃為第一階段的后半部分，水分與主要?dú)怏w的析出接近完全，因此碳含量增幅趨于平緩。結(jié)合半焦收率曲線與碳含量變化曲線，熱解反應(yīng)在400 ℃時(shí)的產(chǎn)物表現(xiàn)最為理想。

2.4 熱解氣體產(chǎn)物的變化

熱解所得的氣體產(chǎn)物變化情況也是需要重點(diǎn)關(guān)注的對(duì)象，尤其是污染氣體的排放情況以及碳排放情況。

由于300～450 ℃范圍內(nèi)主要為熱解的第一階段，原料主要發(fā)生脫水與脫氣反應(yīng)，因此氣體產(chǎn)物的總體積流量隨溫度增加呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，從300 ℃的209.07 kmol/h增長(zhǎng)到450 ℃的215.75 kmol/h。與此同時(shí)，污染氣體的排放呈逐漸下降趨勢(shì)，從300 ℃的5.04%下降到450 ℃的4.23%，碳排放雖呈上升趨勢(shì)，但也只從300 ℃的0.69%增長(zhǎng)到450 ℃的1.29%，僅有0.6%的增長(zhǎng)幅度。從氣體排放的整體情況來看，隨著熱解溫度的上升，所得氣體產(chǎn)物是十分理想的。

3 反應(yīng)氣氛的影響

除了反應(yīng)溫度以外，熱解反應(yīng)整體流程的反應(yīng)氣氛也會(huì)對(duì)熱解結(jié)果產(chǎn)生一定的影響，不同的熱解氣氛下固體產(chǎn)物與氣體產(chǎn)物的產(chǎn)率和組成均會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)，因此本節(jié)將在N2氣氛的基礎(chǔ)上，探究加入不同反應(yīng)氣氛對(duì)熱解產(chǎn)物的影響，具體將分為加入不可燃?xì)怏w與加入可燃?xì)怏w的反應(yīng)氣氛。

3.1 不可燃?xì)怏w的添加

在原本的基礎(chǔ)N2氣氛中按比例加入CO2，將混合氣氛中CO2的比例從0.1增加至1，以0.1為增長(zhǎng)梯度，作為反應(yīng)氣氛進(jìn)行模擬反應(yīng)。收集產(chǎn)物半焦數(shù)據(jù)并利用公式得到半焦收率的變化曲線。

隨著混合氣氛中CO2的比例逐漸增大，半焦的收率呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，從純N2氣氛的50.22%下降至純CO2氣氛的49.40%，而氣體產(chǎn)物的流量隨著混合氣氛中CO2的比例逐漸增大而呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，這是因?yàn)樵贜2氣氛中引入CO2，加劇了熱解第一階段脫水脫氣反應(yīng)的進(jìn)行，有利于氣化反應(yīng)的進(jìn)行，因此壓縮了半焦的產(chǎn)率，也使得氣體產(chǎn)物的產(chǎn)量上升。而如圖10所示，由于CO2與熱解氣體產(chǎn)物中的主要成分CH4易發(fā)生重整反應(yīng)，因此CO2的濃度逐漸增加使得氣體產(chǎn)物中CH4的體積分?jǐn)?shù)持續(xù)下降，從純N2氣氛的65.27%下降到純CO2氣氛的63.79%。而重整反應(yīng)使得其產(chǎn)物H2、CO體積分?jǐn)?shù)明顯上升，H2的體積分?jǐn)?shù)從純N2氣氛的4.21%上升到純CO2氣氛的5.91%，CO的體積分?jǐn)?shù)從純N2氣氛的0.03%上升到純CO2氣氛的0.06%。氣體產(chǎn)物的其他成分則沒有發(fā)生明顯的變化。

3.2 可燃?xì)怏w的添加

除了不可燃?xì)怏w比如CO2這類化學(xué)性質(zhì)不太活潑的氣體反應(yīng)氣氛，化學(xué)性質(zhì)較活潑的可燃性氣體反應(yīng)氣氛也會(huì)對(duì)熱解的進(jìn)程和產(chǎn)物產(chǎn)生一定的影響。因此本節(jié)選取CH4作為可燃性氣體的代表，在原本的基礎(chǔ)N2氣氛中按比例加入CH4，將混合氣氛中CH4的比例從0.1增加至1，以0.1為增長(zhǎng)梯度，作為反應(yīng)氣氛進(jìn)行模擬反應(yīng)。收集產(chǎn)物半焦數(shù)據(jù)可得到熱解所得固體半焦的收率隨CH4的變化。

隨著混合氣氛中CH4的比例逐漸增大，半焦的收率呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，從純N2氣氛的50.22%上升至純CH4氣氛的51.68%，而氣體產(chǎn)物的流量隨著混合氣氛中CH4的比例逐漸增大而呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，這是因?yàn)樵贜2氣氛中引入CH4，這類可燃?xì)怏w的加入消耗了部分氧氣，降低了半焦的氧化反應(yīng)速率，從而使得半焦的收率上升，且與可燃?xì)怏w的濃度呈正相關(guān)，同時(shí)也使得氣體產(chǎn)物的產(chǎn)量下降。當(dāng)反應(yīng)氣氛中有CH4存在時(shí)，整個(gè)熱解流程中會(huì)發(fā)生一系列復(fù)雜的均相和非均相反應(yīng)，如CH4的氧化與裂解、水與CO2重整CH4等，從而使得H2的產(chǎn)率迅速增加，體積分?jǐn)?shù)由4.21%增長(zhǎng)到8.53%，同時(shí)CO也參與部分反應(yīng)，使得CO的產(chǎn)率有一定程度降低以及CO2的產(chǎn)率增加。而其他氣體的體積分?jǐn)?shù)沒有發(fā)生明顯變化。

對(duì)比分析可燃?xì)怏w和不可燃?xì)怏w的添加結(jié)果，可燃?xì)怏w的添加對(duì)半焦收率的變化起到正相關(guān)的作用，同時(shí)在污染氣體排放變化不大的情況下進(jìn)一步降低了碳排放，是比不可燃?xì)怏w更適合添加的反應(yīng)氣氛。

4 組分混合比例的影響

塑料是城市生活垃圾中的典型組分，也是生活垃圾熱解過程中產(chǎn)生固體碳的最主要原料，因此文中的絕大部分研究過程都采用塑料來代替城市生活垃圾進(jìn)行熱解模擬過程。然而生活垃圾中還有一種典型組分橡膠具有和塑料十分類似的屬性。二者都極難通過自然降解，因此熱解處理均具有重要意義。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，二者的C元素含量都相當(dāng)高，均為熱解產(chǎn)生半焦的優(yōu)質(zhì)原料。同時(shí)橡膠相比塑料而言，灰分含量明顯低出許多，因此熱解固體產(chǎn)物可能會(huì)更為優(yōu)質(zhì)。因此本節(jié)針對(duì)熱解原料對(duì)產(chǎn)物的影響進(jìn)行對(duì)比研究，對(duì)塑料和橡膠進(jìn)行比例混合，探究固體產(chǎn)物半焦的產(chǎn)量與品質(zhì)變化，同時(shí)觀察碳排放與污染氣體排放的影響。

分別將初始反應(yīng)模型中的原料塑料替換為橡膠及塑料橡膠的比例混合物，進(jìn)行熱解模擬反應(yīng)，得出一系列不同組分比例的模擬結(jié)果，據(jù)此研究固體碳產(chǎn)物半焦的收率及品質(zhì)情況，同時(shí)關(guān)注碳排放及污染氣體排放情況變化。該反應(yīng)模型所用溫度選取為450 ℃。

4.1 固體產(chǎn)物半焦變化情況

分別將塑料與橡膠按2∶1,1∶1,1∶2比例混合，假設(shè)原料中所有的灰分都?xì)埩粼诠腆w產(chǎn)物半焦中，并且將過程的損耗忽略，收集產(chǎn)物半焦數(shù)據(jù)得到半焦收率和固體產(chǎn)物中碳含量變化曲線。

由公式(1)進(jìn)行固體產(chǎn)物中半焦收率的計(jì)算從而得到圖14。由曲線圖14可以看出，隨著混合組分中橡膠的比例逐漸增大，半焦的收率有逐漸上升的趨勢(shì)，從純塑料的50.22%增長(zhǎng)到純橡膠的60.93%。這是因?yàn)槎叩墓I(yè)分析與元素分析數(shù)值差異很大。塑料的灰分占比達(dá)到了31.69%，遠(yuǎn)高于橡膠8.27%的灰分占比，同時(shí)塑料中56.39%的C元素占比也小于橡膠中76.88%的C元素占比。而由圖15可以看出，隨著混合組分中橡膠的比例逐漸增大，半焦中C含量也呈明顯的上升趨勢(shì)，從純塑料的53.256%大幅上升至純橡膠的86.77%，說明隨著橡膠比例的逐漸增大，與半焦收率相比，所得固體產(chǎn)物半焦的品質(zhì)提升更為明顯，用于工業(yè)用途的價(jià)值也越大。

4.2 氣體產(chǎn)物變化情況

雖然隨著橡膠比例的增大，產(chǎn)物半焦的品質(zhì)有較大提升，但除了固體產(chǎn)物以外，也應(yīng)關(guān)注氣體產(chǎn)物的變化情況。因此收集碳排放與污染氣體的排放數(shù)據(jù)，得到二者的變化曲線。

隨著混合組分中橡膠比例的逐漸增大，碳排放的情況呈現(xiàn)小幅上升趨勢(shì)，CO2的體積分?jǐn)?shù)由純塑料的0.77%小幅增長(zhǎng)到純橡膠的0.78%，整體變化并不明顯。與之相對(duì)應(yīng)的是污染氣體的排放情況，污染氣體的排放情況也整體上升，由純塑料的4.8%增長(zhǎng)至純橡膠的5.9%，與碳排放相比，污染氣體排放的增長(zhǎng)情況更為明顯。因此，工程應(yīng)用中，在提高組分中橡膠比例以此獲得更高品質(zhì)半焦的同時(shí)，也應(yīng)該做好污染氣體的處理工作。

5 敏感性分析和模型優(yōu)化

前三節(jié)通過模擬數(shù)據(jù)分別分析了三個(gè)反應(yīng)條件對(duì)熱解反應(yīng)進(jìn)程以及產(chǎn)物的影響，根據(jù)前三節(jié)的數(shù)據(jù)分析，可得到每個(gè)反應(yīng)條件在單位變化率的情況下得到的半焦收率的變化率情況，可做出如圖1所示的熱解溫度、熱解氣氛、熱解組分對(duì)于固體產(chǎn)物半焦收率的敏感性分析。

圖1 熱解反應(yīng)參數(shù)對(duì)半焦收率的敏感性分析

如圖1所示，根據(jù)曲線圖可以直觀看出在熱解反應(yīng)溫度、反應(yīng)氣氛、反應(yīng)組分三個(gè)反應(yīng)條件中，反應(yīng)組分對(duì)于固體產(chǎn)物半焦收率的敏感度最高。即在塑料熱解反應(yīng)過程中，當(dāng)其他條件相同時(shí)，反應(yīng)組分對(duì)于半焦收率的影響最大，是影響熱解固體產(chǎn)物半焦收率的主要因素，熱解溫度次之，熱解氣氛對(duì)于半焦收率的影響相比前兩者較小，因此敏感度最小。

針對(duì)反應(yīng)條件的敏感性分析以及前三節(jié)的反應(yīng)條件的影響，可以初步得出，綜合半焦收率曲線圖與碳含量曲線圖，400 ℃左右所得到的固體產(chǎn)物最為理想，即此時(shí)半焦的產(chǎn)率和品質(zhì)為綜合最佳，因此在低溫?zé)峤夥秶鷥?nèi)400 ℃為最佳反應(yīng)溫度。同時(shí)反應(yīng)氣氛中，雖然隨著可燃?xì)怏w的加入半焦的收率有所提升，但在可燃?xì)怏w的體積比超過60%時(shí)半焦收率提升并不明顯，同時(shí)半焦品質(zhì)無明顯提升，因此反應(yīng)氣氛中可燃?xì)怏w的最佳體積分?jǐn)?shù)為50%～60%，而此時(shí)半焦的熱值為24.96 MJ/kg。而針對(duì)反應(yīng)組分，雖然橡膠的加入對(duì)于半焦收率的影響有著明顯的提升，但同時(shí)污染氣體的排放也增加明顯，因此在工程應(yīng)用中，垃圾中橡膠比例較大時(shí)在熱解工業(yè)化中應(yīng)加大污染氣體的處理力度。上述反應(yīng)條件下垃圾的熱解將在污染氣體排放與碳排放較低的情況下?lián)碛凶罴训陌虢巩a(chǎn)率和品質(zhì)。

6 結(jié)束語

文中針對(duì)城市生活垃圾中的典型組分塑料進(jìn)行熱解模擬實(shí)驗(yàn)，建立熱解反應(yīng)模型并探究在熱解溫度、熱解氣氛、熱解組分的變化下產(chǎn)物的變化，重點(diǎn)研究固體產(chǎn)物半焦的收率以及品質(zhì)變化，同時(shí)對(duì)氣體產(chǎn)物中碳排放以及污染氣體排放的變化也進(jìn)行了比較分析。得出如下結(jié)論：

(1)在低溫?zé)峤?00～450 ℃范圍內(nèi)，固體產(chǎn)物半焦收率隨著溫度而下降，但半焦的含碳量卻隨熱解溫度的升高而提升，其中含碳量的提升更為明顯。綜合來看在400℃左右時(shí)擁有最佳的半焦產(chǎn)率與品質(zhì)，此時(shí)半焦的熱值為24.96 MJ/kg，高于一般褐煤的熱值，可直接用作工業(yè)原料。

(2)在N2氣氛中加入不可燃?xì)怏w會(huì)降低半焦的產(chǎn)率并增加氣體的產(chǎn)率，有利于產(chǎn)氣反應(yīng)的進(jìn)行，而在N2氣氛中加入可燃?xì)怏w會(huì)增加半焦的收率同時(shí)降低碳排放，在可燃?xì)怏w的體積比超過60%以后半焦收率的提升不明顯，因此最佳的可燃?xì)怏w分?jǐn)?shù)為50%～60%。

(3)在塑料中添加橡膠可以增加半焦的收率并且顯著增加半焦的品質(zhì)，不過同時(shí)也會(huì)增加污染氣體的排放，在垃圾熱解的原料中若橡膠比例較高，應(yīng)加大污染氣體的處理力度。

(4)三個(gè)反應(yīng)條件中，反應(yīng)組分對(duì)半焦收率的影響最大，熱解溫度次之，熱解氣氛相對(duì)來說影響最小。