麥稈與廢聚苯乙烯泡沫塑料共熱解特性研究

摘 要：利用熱重分析儀和管式爐，研究小麥秸稈與廢聚苯乙烯泡沫塑料（WPSF）在不同混合比例、不同升溫速率下的失重行為及共熱解產(chǎn)物分布特性。結(jié)果表明：WPSF表觀活化能為178.27～186.84 kJ/mol，熱穩(wěn)定性強。麥稈與WPSF共熱解存在協(xié)同效應，尤其在質(zhì)量比為1∶1時協(xié)同效應最顯著，可促進麥稈揮發(fā)分析出并減少焦炭生成，且在溫度較低時降低了反應活化能。共熱解對液相和氣相產(chǎn)率表現(xiàn)為正協(xié)同效應，對固相產(chǎn)率表現(xiàn)為負協(xié)同效應，可促進烴類氣體產(chǎn)生，抑制含氧氣體生成。溫度影響共熱解產(chǎn)物分布與協(xié)同效應的強弱，800 ℃時協(xié)同效應最強。隨著熱解溫度的升高，固相產(chǎn)率降低，液相產(chǎn)率先上升后下降，烴類氣體和H2占比上升，CO和CO2占比下降。

關(guān)鍵詞：生物質(zhì)；泡沫塑料；熱解；動力學；協(xié)同效應；三相產(chǎn)率

中圖分類號：TK6 " " " " " " 文獻標志碼：A

0 引 言

生物質(zhì)能是最具前景的替代能源之一［1］。中國秸稈類生物質(zhì)儲量豐富［2］，但很多地區(qū)選擇直接焚燒，造成資源的嚴重浪費并產(chǎn)生了大量污染物。聚苯乙烯泡沫塑料具有耐熱、隔音、防潮等優(yōu)良特性［3］，大量應用在建筑、制造等行業(yè)，而“用后即棄”產(chǎn)生的泡沫垃圾不易降解［4］，填埋和焚燒則不利于環(huán)境保護。當前，泡沫塑料在能源生產(chǎn)與利用方面受到了廣泛關(guān)注［5］。共熱解是多種原料按照一定比例混合熱解的工藝，共熱解協(xié)同效應表現(xiàn)為對產(chǎn)物的促進或抑制效果，以及改變反應活化能或熱解程度［6］。生物質(zhì)與塑料的協(xié)同效應有利于產(chǎn)出高品質(zhì)的生物油和可燃氣，促進廢物資源循環(huán)高效清潔利用，應用前景廣闊。張學松等［7］發(fā)現(xiàn)花旗松與低密度聚乙烯共熱解有明顯的協(xié)同效應；陳林等［8］發(fā)現(xiàn)泡桐木與塑料的質(zhì)量比影響協(xié)同效應的強弱；Ozsin等［9］研究得出生物質(zhì)摻混生物質(zhì)摻混取苯乙烯（polystyrene，PS）熱解顯著影響產(chǎn)物產(chǎn)率與品質(zhì)；胡炳濤等［10］發(fā)現(xiàn)麥稈與聚對苯二甲酸乙二醇酯（polyethylene terephthalate，PET）共熱解出現(xiàn)兩個協(xié)同效應，并可降低表觀活化能；Nguyen等［11］研究發(fā)現(xiàn)咖啡渣與聚苯乙烯共熱解可提高液相產(chǎn)物的產(chǎn)率與品質(zhì)。

當前對生物質(zhì)與廢聚苯乙烯泡沫塑料（waste polysytrene foam，WPSF）共熱解的協(xié)同效應、動力學、三相產(chǎn)物分布研究不夠深入，因此本文分析麥稈與WPSF在不同混合比例、不同升溫速率下的失重行為及共熱解產(chǎn)物分布，以期為生物質(zhì)與廢塑料的共熱解處置提供一些理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持，助力實現(xiàn)“以廢治廢”的資源化綠色發(fā)展。

1 實 驗

1.1 實驗材料與儀器

麥稈原料來自江蘇省連云港市，晾曬風干后粉碎，篩分出粒徑小于0.150 mm的顆粒。WPSF收集自沈陽附近垃圾場，由于其膨脹特性，堆積密度很低［12］，難以與麥稈粉末混合均勻且無法送入實驗裝置，因此將WPSF粉碎并在馬弗爐中以130 ℃高溫烘烤20 min使其致密化。致密后，篩分出粒徑小于0.425 mm的WPSF顆粒。表1為麥稈、WPSF的工業(yè)與元素分析結(jié)果，依據(jù)《固體生物質(zhì)燃料工業(yè)分析方法》（GB/T 28731—2012）。

所用儀器：元素分析儀（FLASH 2000，美國熱電集團）；熱重分析儀（Setline STA，凱璞科技公司）；管式爐（SK2B-6-12TPB3，卓的儀器公司）；煤氣分析儀（Gasboard-3100P，四方光電科技公司）；馬弗爐（XL-2000，鶴壁創(chuàng)新儀器儀表公司）。

1.2 實驗方法

利用熱重分析儀分別對兩種材料及其混合物進行熱重分析。每次實驗稱取10 mg樣品（混合物需攪拌均勻），熱重分析儀持續(xù)通入高純N2，分別以10、20、30 ℃/min的恒定升溫速率升至950 ℃。

在自行搭建的熱解平臺進行熱解實驗，圖1為熱解實驗流程圖。將10 g樣品放入坩堝內(nèi)一并置于管式爐中，以流量為0.3 L/min的N2作為吹掃氣，升溫速率為10 ℃/min，最高溫度設置為500、600、700、800、900 ℃。熱解產(chǎn)生的可冷凝性氣體（生物油）通過冰水浴中的異丙醇收集，實驗結(jié)束后將異丙醇溶液中的生物油提純、稱重，作為液相產(chǎn)物。非冷凝性氣體經(jīng)多次干燥后通入煤氣分析儀，實時監(jiān)測氣體中CO、CO2、CH4、CnHm、H2的相對體積分數(shù)，并傳輸?shù)诫娔X。實驗結(jié)束后，稱量坩堝內(nèi)剩余焦炭質(zhì)量，作為固相產(chǎn)物。氣相產(chǎn)率由100%減去固相和液相產(chǎn)率得出。

1.3 分析方法

1.3.1 失重差值分析

為研究共熱解過程中麥稈與WPSF之間的協(xié)同效應，引入混合物實際失重與理論失重的差值（[Δα]），[Δα]值越大意味著組分間的相互作用越強。

定義某時刻樣品的熱解轉(zhuǎn)化率[α]為：

[α=m0-mTm0-mf] （1）

式中：[m0]——初始質(zhì)量，g；[mT]——某溫度時質(zhì)量，g；[mf]——熱解結(jié)束時質(zhì)量，g。

失重差值[Δα]為：

[Δα=αc-ωαa+1-ωαb] （2）

式中：[αa]、[αb]、[αc]——麥稈、WPSF和混合物的熱解轉(zhuǎn)化率，%；[ω]——麥稈質(zhì)量分數(shù)，%。

1.3.2 動力學分析

根據(jù)基本速率方程，固體非均相反應速率為：

[dαdt=kTfα] （3）

式中：[t]——反應時間，min；[T]——反應絕對溫度，K；[kT]——與溫度相關(guān)的速率常數(shù)；[fα]——反應機理函數(shù)。

根據(jù)Arrhenius方程，[kT]可表示為：

[kT=Ae-ERT] （4）

式中：[A]——指前因子，min-1；[E]——活化能，kJ/mol；[R]——氣體常數(shù)R=8.314 J/（mol·K）。

函數(shù)f（α）一般為：

[fα=1-αn] （5）

式中：[n]——反應級數(shù)。

根據(jù)文獻［13］，一級反應最合理，故取[n=1]，將式（4）、式（5）代入式（3），熱解方程可轉(zhuǎn)化為：

[dαdt=Ae-ERT1-α] （6）

代入升溫速率[β=dT/dt]可進一步轉(zhuǎn)化為：

[dαdt=Aβe-ERT1-α] （7）

通過Coats-Redfern法可得：

[ln-ln1-αT2=lnARβE1-2RTE-ERT] （8）

對于大多數(shù)[E]值和熱解溫度范圍，ln［AR（1-2RT/E）/βE］可視為常數(shù)ln［AR/βE］［14］，因此得到：

[ln-ln1-αT2=-ER×1T+lnARβE] （9）

對ln［-ln（1-α）/T2］與[1/T]擬合繪圖，可確定動力學參數(shù)[E]和[A]。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同升溫速率熱解分析

圖2為麥稈與WPSF質(zhì)量比為1∶1混合物在10、20、30 ℃/min這3種升溫速率下的熱重（TG）和熱重微分（DTG）曲線。表2為熱解特性參數(shù)?？煽闯鲭S著升溫速率的升高，混合物失重率逐漸減小，最大失重速率和平均失重速率增大。最大失重速率對應的溫度隨升溫速率的升高而增大，這是由于升溫速率越大材料反應程度越低，顆粒間和顆粒內(nèi)部的溫度梯度加大，從而加劇了熱滯后現(xiàn)象。綜合分析可知，提高升溫速率不利于材料熱解。

2.2 麥稈與WPSF單獨熱解分析

圖3a、圖3b為麥稈和WPSF在3種升溫速率下的熱解特性曲線。麥稈熱解過程可分為4個階段：水分蒸發(fā)（lt;140 ℃），失重率約為3%；半纖維素分解（140～310 ℃），失重率約為1%，DTG曲線上為肩狀峰；纖維素分解（310～390 ℃），失重率接近25%，DTG上表現(xiàn)出一個強峰，且由于纖維素與半纖維素熱穩(wěn)定性不同，發(fā)生DTG峰分離；炭化（390～950 ℃），失重率約為12%，主要發(fā)生木質(zhì)素的緩慢熱解及炭化。由于WPSF的聚合結(jié)構(gòu)和添加劑作用，其熱解初始溫度（380 ℃）更高，在DTG曲線上僅表現(xiàn)為一個顯著強峰，熱穩(wěn)定性更強。

2.3 麥稈與WPSF共熱解分析

混合物共熱解特性曲線在不同升溫速率條件下類似，因此以20 ℃/min為代表分析共熱解特性。圖3c、圖3d為麥稈與WPSF質(zhì)量比分別為1∶0、3∶1、1∶1、1∶3、0∶1的熱解特性曲線。混合物熱解特征曲線位于兩種材料單獨熱解曲線之間，最終殘余質(zhì)量主要是麥稈內(nèi)部未反應的固定碳和灰分，與麥稈占比相對應?；旌衔餆峤庖部煞譃?個階段：水分蒸發(fā)（lt; 140 ℃），該階段由于麥稈脫水，DTG曲線表現(xiàn)出一個弱峰，麥稈占比75%時最明顯；麥稈分解（140～380 ℃），DTG曲線上的肩狀峰和小的失重峰對應半纖維素和纖維素的分解；WPSF分解（380～480 ℃），DTG曲線上表現(xiàn)為顯著的失重峰，WPSF占比75%時最明顯；麥稈炭化（480～950 ℃），對應木質(zhì)素緩慢分解和炭化。各階段失重速率與該階段主要分解物所占的質(zhì)量比相對應。

2.4 混合物失重差值分析

混合物在不同升溫速率下共熱解的[Δα]變化如圖4所示。[Δα]在200 ℃前均不超過1%，此時WPSF未分解，不存在與麥稈的相互作用，所以[Δα]不為零可能與混合比例和傳熱條件差異有關(guān)。質(zhì)量比1∶1混合物的[Δα]變化最為明顯：[Δα]在200～340 ℃溫度區(qū)間持續(xù)上升，這是因為此時麥稈的半纖維素和纖維素先后發(fā)生脫水、脫羰、脫羧等反應生成呋喃類等化合物，產(chǎn)生的各種小分子或長鏈自由基可促進WPSF解聚（β斷鏈反應），并生成大量氫自由基（H·）。這些H·又可促進麥稈熱解產(chǎn)生的含氧中間體發(fā)生羥基、羰基、羧基的脫落，有利于揮發(fā)分析出，促進形成芳烴并減少焦炭產(chǎn)生［15］，所以失重增加，[Δα]持續(xù)上升。這與袁浩然等［16］發(fā)現(xiàn)纖維素與高密度聚乙烯共熱解促進了揮發(fā)分釋放的結(jié)論類似。[Δα]在280 ℃前上升比較緩慢甚至沒有上升，280 ℃后上升變快，這是因為280 ℃前主要是半纖維素熱解，產(chǎn)生的呋喃類化合物低于纖維素，導致其協(xié)同效應較弱，這與王佳等［17］研究結(jié)論一致。其他比例混合物在200～340 ℃區(qū)間內(nèi)可能由于WPSF占比過大或過小，未表現(xiàn)出明顯的協(xié)同效應。在340～450 ℃區(qū)間內(nèi)，所有混合物[Δα]先下降后急劇上升，有一個明顯的負峰。這是由于WPSF在約340 ℃逐漸變成熔融態(tài)，包裹在麥稈顆粒周圍，高粘性和低導熱性阻礙了麥稈組分的分解與揮發(fā)導致[Δα]下降；隨著WPSF開始分解，被包裹的麥稈揮發(fā)分連同WPSF一起大量釋放，[Δα]急劇上升。500 ℃后WPSF基本分解完成，因此[Δα]變化很小。因此，麥稈與WPSF共熱解存在協(xié)同效應，且1∶1混合時協(xié)同效應最顯著。

2.5 動力學分析

表3為熱解動力學參數(shù)?？煽闯觯瑪M合相關(guān)系數(shù)高，所求參數(shù)較可靠。Dα是主反應區(qū)初始溫度和結(jié)束溫度的轉(zhuǎn)化率差值。為具體探究混合比例對協(xié)同效應的影響，對升溫速率為10 ℃/min的混合物動力學參數(shù)按式（10）加權(quán)計算，得到混合物動力學參數(shù)的理論計算值。

（10）

麥稈與WPSF的表觀活化能分別為44.43～46.36和178.27～186.84 kJ/mol，證實了WPSF熱穩(wěn)定性強。指前因子是與活化能密切關(guān)聯(lián)的動力學參數(shù)，反映熱解反應的復雜程度［18］。麥稈與WPSF指前因子分別為19738.13～27184.70和1.58×1014～4.79×1014 min-1，二者指前因子相差10個數(shù)量級，意味著WPSF的熱解更復雜。混合物低溫段和高溫段活化能分別對應麥稈和WPSF的熱解，并均低于材料單獨熱解的活化能。隨著WPSF質(zhì)量比的增加，高溫段活化能逐漸增加，低溫段活化能的變化不明顯。此外，通過對比混合物（升溫速率為10 ℃/min）活化能的實驗值與理論值可知，低溫段的反應活化能實驗值均低于理論值，共熱解表現(xiàn)出協(xié)同促進效應，其中1∶1混合物促進作用最明顯；而高溫段活化能實驗值均高于理論值，即共熱解表現(xiàn)出抑制作用。以上是因為在低溫段摻混WPSF熱解有助于穩(wěn)定麥稈生成的自由基，促進麥稈與WPSF化學鍵的斷裂，降低了反應活化能。而在高溫段麥稈熱解產(chǎn)生的焦炭吸附在WPSF顆粒表面，阻礙了WPSF熱解。以上結(jié)果證實了麥稈與WPSF共熱解存在協(xié)同效應，且在溫度較低時表現(xiàn)出促進作用，降低了反應活化能。

2.6 不同混合比例下共熱解三相產(chǎn)物分布及協(xié)同效應分析

為研究混合比例對共熱解三相產(chǎn)物分布及協(xié)同效應的影響，進行不同比例混合物共熱解實驗（最高溫度為800 ℃）。圖5a為三相產(chǎn)物產(chǎn)率圖。麥稈單獨熱解的固相（36.73%）和氣相（34.93%）產(chǎn)物最高，液相產(chǎn)物產(chǎn)率最低（28.34%）；WPSF單獨熱解主要為液相（79.24%）和氣相（20.48%）產(chǎn)物。隨著WPSF摻混比例的增加，液相產(chǎn)物產(chǎn)率增加，固相和氣相產(chǎn)率下降。為分析共熱解過程的協(xié)同效應，利用式（11）計算出產(chǎn)物理論值。結(jié)果顯示，混合物液相和氣相產(chǎn)率高于理論值，固相產(chǎn)率低于理論值，即共熱解對生物油和氣體產(chǎn)出表現(xiàn)出正協(xié)同效應，對焦炭產(chǎn)出表現(xiàn)出負協(xié)同效應，且在1∶1混合時協(xié)同效應最顯著，以上結(jié)果證明2.4節(jié)分析合理。在3∶1混合時協(xié)同效應不明顯可能因為揮發(fā)分易吸附到麥稈多孔固體殘留物的孔隙內(nèi)，延長了可冷凝大分子的停留時間，促進了二次裂解反應。王志偉等［19］發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)與塑料共熱解協(xié)同效應也可提高生物油品質(zhì)。

[Y=K1×Y1+K2×Y2] （11）

式中：[K1]、[K2]——麥稈和WPSF所占比例，%；[Y1]，[Y2]——該材料單獨熱解時某產(chǎn)物，%。

圖5b為合成氣組成分布圖。隨著WPSF摻混比例的增加，CO、CO2和H2含量下降，烴類氣體含量上升，可燃氣比例增加。含氧氣體實際含量低于理論含量，而烴類氣體實際含量高于理論含量，即麥稈與WPSF共熱解促進烴類氣體生成，抑制含氧氣體生成。這是因為麥稈熱解生成的含氧自由基可與WPSF產(chǎn)生的烴類小分子自由基發(fā)生裂解、解聚、交聯(lián)等反應［20］，使含氧小分子氣體減少。H2含量隨WPSF摻混比例的增大而減小，在WPSF占比100 %時無H2生成。通過分析不同混合比例下共熱解三相產(chǎn)物分布與氣體成分，再次證實了麥稈與WPSF共熱解存在協(xié)同效應。

2.7 不同溫度下共熱解三相產(chǎn)物分布及協(xié)同效應分析

為研究熱解溫度對協(xié)同效應的影響，對麥稈、WPSF、二者1∶1混合物進行不同溫度下共熱解實驗。圖6為麥稈與WPSF單獨熱解產(chǎn)物分布。圖7為質(zhì)量比1∶1混合物共熱解產(chǎn)物分布，其中理論值由該溫度下麥稈與WPSF單獨熱解的產(chǎn)物產(chǎn)率經(jīng)式（12）加權(quán)計算得出。通過圖6a、圖7a可看出，隨著溫度的升高，固相產(chǎn)率降低，生物油產(chǎn)率先升高后降低，這是由于溫度的升高加劇了二次裂解反應，促進了可冷凝大分子化學鍵斷裂，形成了分子量更低的組分。由圖6b可知，麥稈單獨熱解時CO、CO2含量高，而WPSF單獨熱解時氣體主要為CH4等烴類氣體。

如圖7所示，在不同熱解溫度下共熱解對同一物質(zhì)的促進或抑制效果不同，即溫度影響共熱解產(chǎn)物分布與協(xié)同效應的強弱。通過三相產(chǎn)率和氣體成分理論值與實際值的對比，800 ℃時協(xié)同效應最明顯，對生物油和烴類氣體的促進效果最強。從圖7b可見，隨著熱解溫度的升高，合成氣中CO和CO2的占比逐漸下降；CH4和CnHm的占比先上升后下降，即溫度的升高使含氧氣體含量下降、烴類氣體含量上升，這是因為高溫加劇了大分子結(jié)構(gòu)中的羥基、羧基等含氧官能團斷鍵和分解，同時促進斷鍵形成的碎片重整［21］，從而產(chǎn)生更多的烴類小分子。CH4和CnHm含量下降則可能是因為其在高溫下發(fā)生了進一步裂解。此外，高溫有利于產(chǎn)物為H2的烷烴芳構(gòu)化等反應發(fā)生［22］，因此H2占比呈上升趨勢。

3 結(jié) 論

1）WPSF表觀活化能為178.27～186.84 kJ/mol，熱解初始溫度高，DTG曲線上僅表現(xiàn)為一個強峰，熱穩(wěn)定性強?；旌衔餆峤馇€位于兩種材料單獨熱解的曲線之間，表現(xiàn)為麥稈和WPSF主熱解階段的疊加，各個階段的失重速率與該階段主要分解物所占的質(zhì)量比相對應。

2）失重差值變化曲線上明顯的負峰是由于共熱解過程WPSF先轉(zhuǎn)為熔融態(tài)并包裹在麥稈顆粒周圍，阻礙了麥稈揮發(fā)分的釋放。結(jié)合失重差值與Coats-Redfern法擬合發(fā)現(xiàn)麥稈與WPSF共熱解存在協(xié)同效應，尤其在質(zhì)量比1∶1混合時協(xié)同效應最顯著，可促進揮發(fā)分析出，減少焦炭產(chǎn)生，在溫度較低時降低反應活化能。

3）共熱解對液相和氣相產(chǎn)率表現(xiàn)為正協(xié)同效應，對固相產(chǎn)率表現(xiàn)為負協(xié)同效應，促進烴類氣體產(chǎn)生，并抑制含氧氣體生成。溫度影響共熱解產(chǎn)物分布與協(xié)同效應的強弱，800 ℃時協(xié)同效應最強。隨著熱解溫度的升高，固相產(chǎn)率降低，液相產(chǎn)率先上升后下降，合成氣中CO和CO2含量下降、烴類氣體和H2含量上升。

［參考文獻］

［1］ 李延吉， 趙明， 李明澤， 等. 改性HZSM-5催化玉米秸稈與HDPE共熱解制輕質(zhì)芳烴［J］. 太陽能學報， 2023， 44（4）： 238-246.

LI Y J， ZHAO M， LI M Z， et al. Modified HZSM-5 catalyzed co-pyrolysis of corn stover and HDPE to btexn［J］. Acta energiae solaris sinica， 2023， 44（4）： 238-246.

［2］ 張喜坤， 薛偉， 張雪一. 混合水稻玉米秸稈熱解特性研究及動力學分析［J］. 太陽能學報， 2021， 42（11）： 410-414.

ZHANG X K， XUE W， ZHANG X Y. Pyrolysis characteristics and kinetics analysis of mixed rice and corn straw［J］. Acta energiae solaris sinica， 2021， 42（11）： 410-414.

［3］ 龔新懷， 陳婷婷， 康曉燕. 廢聚苯乙烯泡沫塑料的催化裂解［J］. 化工環(huán)保， 2014， 34（2）： 150-154.

GONG X H， CHEN T T， KANG X Y. Catalytic cracking of waste expanded polystyrene［J］. Environmental protection of chemical industry， 2014， 34（2）： 150-154.

［4］ 王琰， 于浩然， 劉子欣， 等. 廢聚苯乙烯泡沫塑料綜合利用研究進展［J］. 河北科技大學學報， 2022， 43（4）： 407-416.

WANG Y， YU H R， LIU Z X， et al. Research progress on comprehensive utilization of waste foamed polystyrene plastics［J］. Journal of Hebei University of Science and Technology， 2022， 43（4）： 407-416.

［5］ LI B X， JIN P， CAO S K. Co-pyrolysis kinetics of expandable polystyrene foam plastics and biomass［J］. Advanced materials research， 2012， 518/519/520/521/522/523： 3295-3301.

［6］ 劉曉鋒， 楊攀博， 王健， 等. 麥稈與褐煤共熱解特性及動力學分析［J］. 太陽能學報， 2021， 42（9）： 410-415.

LIU X F， YANG P B， WANG J， et al. Co-pyrolysis characteristics and kinetic analysis of wheat straw and lignite［J］. Acta energiae solaris sinica， 2021， 42（9）： 410-415.

［7］ ZHANG X S， LEI H W， ZHU L， et al. Thermal behavior and kinetic study for catalytic co-pyrolysis of biomass with plastics［J］. Bioresource technology， 2016， 220： 233-238.

［8］ CHEN L， WANG S Z， MENG H Y， et al. Synergistic effect on thermal behavior and char morphology analysis during co-pyrolysis of paulownia wood blended with different plastics waste［J］. Applied thermal engineering， 2017， 111： 834-846.

［9］ ?ZSIN G， PüTüN A E. A comparative study on co-pyrolysis of lignocellulosic biomass with polyethylene terephthalate， polystyrene， and polyvinyl chloride： synergistic effects and product characteristics［J］. Journal of cleaner production， 2018， 205： 1127-1138.

［10］ 胡炳濤， 李志健. PET和關(guān)中麥稈共熱解特性及其動力學研究［J］. 生物質(zhì)化學工程， 2021， 55（5）： 1-7.

HU B T， LI Z J. Co-pyrolysis characteristics and kinetics of " PET " and " "wheat " "straw［J］. " Biomass " "chemical engineering， 2021， 55（5）： 1-7.

［11］ VAN NGUYEN Q， CHOI Y S， CHOI S K， et al. Co-pyrolysis of coffee-grounds and waste polystyrene foam： synergistic effect and product characteristics analysis［J］. Fuel， 2021， 292： 120375.

［12］ VAN NGUYEN Q， CHOI Y S， CHOI S K， et al. Improvement of bio-crude oil properties via co-pyrolysis of pine sawdust and waste polystyrene foam［J］. Journal of environmental management， 2019， 237： 24-29.

［13］ VASILE C， BREBU M， DARIE H， et al. Effect of some environmentally degradable materials on the pyrolysis of plastics II： influence of cellulose and lignin on the pyrolysis of complex mixtures［J］. Journal of material cycles and waste management， 2010， 12（2）： 147-153.

［14］ 梅艷陽， 張世鵬， 邵水軍， 等. 溫度對玉米稈烘焙及熱解的影響［J］. 太陽能學報， 2022， 43（9）： 363-368.

MEI Y Y， ZHANG S P， SHAO S J， et al. Effect of temperature conditions on cornstalks torrefaction and pyrolysis［J］. Acta energiae solaris sinica， 2022， 43（9）： 363-368.

［15］ 黃明， 朱亮， 丁紫霞， 等. 生物質(zhì)三組分與低密度聚乙烯共催化熱解制取輕質(zhì)芳烴的協(xié)同作用機理［J］. 化工學報， 2022， 73（2）： 699-711.

HUANG M， ZHU L， DING Z X， et al. Synergistic interactions of biomass three-component and low-density polyethylene during co-catalytic fast pyrolysis for the production of light aromatics［J］. CIESC journal， 2022， 73（2）： 699-711.

［16］ YUAN H R， FAN H G， SHAN R， et al. Study of synergistic effects during co-pyrolysis of cellulose and high-density polyethylene at various ratios［J］. Energy conversion and management， 2018， 157： 517-526.

［17］ 王佳， 張助坤， 蔣劍春. 生物質(zhì)與廢塑料/橡膠共熱解研究進展［J］. 林業(yè)工程學報， 2023， 8（2）： 10-20.

WANG J， ZHANG Z K， JIANG J C. A review on co-pyrolysis of biomass and waste plastics/rubbers［J］. Journal of forestry engineering， 2023， 8（2）： 10-20.

［18］ 李沫杉， 田宜水， 胡二峰， 等. 沼渣熱解動力學、熱力學分析及熱解產(chǎn)物特性研究［J］. 太陽能學報， 2022， 43（6）： 226-233.

LI M S， TIAN Y S， HU E F， et al. Pyrolysis kinetics and thermodynamic analysis of biogas residue and its pyrolysis product characteristics research［J］. Acta energiae solaris sinica， 2022， 43（6）： 226-233.

［19］ 王志偉， 吳夢鴿， 陳顏， 等. 生物質(zhì)與塑料共熱解協(xié)同特性研究進展［J］. 中國塑料， 2022， 36（10）： 149-158.

WANG Z W， WU M G， CHEN Y， et al. Recent advances in synergistic characteristics of co-pyrolysis derived from biomass and plastic［J］. China plastics， 2022， 36（10）： 149-158.

［20］ 毛俏婷， 胡俊豪， 趙雨佳， 等. 生物質(zhì)和廢塑料混合熱解協(xié)同特性研究［J］. 燃料化學學報， 2020， 48（3）： 286-292.

MAO Q T， HU J H， ZHAO Y J， et al. Synergistic effect during biomass and waste plastics co-pyrolysis［J］. Journal of fuel chemistry and technology， 2020， 48（3）： 286-292.

［21］ SHEN D K， GU S， BRIDGWATER A V. Study on the pyrolytic behaviour of xylan-based hemicellulose using TG-FTIR and Py-GC-FTIR［J］. Journal of analytical and applied pyrolysis， 2010， 87（2）： 199-206.

［22］ LIU P， WANG Y， ZHOU Z Z， et al. Effect of carbon structure on hydrogen release derived from different biomass pyrolysis［J］. Fuel， 2020， 271： 117638.

RESEARCH ON CO-PYROLYSIS CHARACTERISTICS OF

WHEAT STRAW AND WASTE POLYSTYRENE FOAM

Wang Tie，Xu Kaili，Li Jishuo，Zhou Haodong

（School of Resources and Civil Engineering， Northeastern University， Shenyang 110801， China）

Abstract：The weight loss behavior and distribution of co-pyrolysis products of wheat straw and waste polystyrene foam （WPSF） at different mixing ratios and heating rates were studied by thermogravimetric analyzer and tube furnace. The results show that the apparent activation energy of WPSF ranged from 178.27 kJ/mol to 186.84 kJ/mol， and the thermal stability of WPSF is strong. co-pyrolysis of wheat straw and WPSF has synergistic effect， especially when the mass ratio is 1∶1， which promotes the volatilization of wheat straw and reduces the formation of biochar， and reduces the activation energy of reaction at lower temperature. Co-pyrolysis shows positive synergistic effect on liquid and gas phase yields， but negative synergistic effect on solid phase yields， which promotes the generation of hydrocarbon gases and inhibits the generation of oxygen-containing gases. Temperature affects the distribution of co-pyrolysis products and the strength of synergistic effect， and the synergistic effect is the strongest at 800 ℃. With the increase of pyrolysis temperature， the solid phase yield decreases， while the liquid phase yield first increases and then decreases. The proportion of hydrocarbon gas and H2 increases， while the proportion of CO and CO2 decreases.

Keywords：biomass； foamed plastics； pyrolysis； dynamics； synergistic effect； three-phase yield