摘要
能源密集型产业对化石燃料的高度依赖造成了严重的环境破坏与资源损耗，当前社会对可再生能源的需求愈加迫切。同时，全球汽车数量的大幅增加使得被称为“黑色污染”的废轮胎问题迫在眉睫，鉴于轮胎主要成分橡胶属于可再生资源，具备高热值特性，因此亟需开发一种直接或间接获得轮胎能源的方法。热解炭化作为一种环保高效的固废预处理方法，能够有效改善能量密度，封闭系统获得的高附加值热解油、气也是重要能源。本文将废轮胎切分为胎面与胎侧后独立热解，以获得性质相对统一的热解产品。首先在500℃和600℃限氧条件下制备半焦，探究温度对于胎面与胎侧半焦理化性质的影响；再借助热分析技术分析了两种半焦的燃烧反应特性差异，建立了动力学模型；最后基于管式炉实验研究了燃烧过程的矿物结构演变与重金属迁移，为实现工业利用提供理论参考。 （1）废轮胎发生热解的主要温度范围为350-500℃，与胎面相比，胎侧热解后固定碳含量更高，具有更好的能量品质，并且固定碳含量与热解温度成正向关系。4种半焦的含碳官能团较为单一，主要是C-H/C-O，脂肪族侧链随着热解温度由500℃升高至600℃断裂消失，缩聚反应更加充分。胎面半焦中Si-O键显著，而胎侧热解后存在更多Zn-S键。半焦孔隙结构随着热解温度升高更加发达，为燃烧反应进行提供有利条件，并且胎面半焦比表面积更高。碳质组分由大量低石墨化程度的无定形碳结构构成，芳香层之间缺陷较强，胎面半焦石墨化进程更慢。更高热解温度下，半焦的芳香层间距缩小，间质缺陷增强，同时碳结构更加疏松，有助于提高燃烧反应性。 （2）胎面600℃热解半焦（TT600）与胎侧600℃热解半焦（SW600）的可燃组分以固定碳为主，热重曲线显示为单峰。与TT600相比，SW600失重范围更广，放出热量也更多。随着升温速率升高，半焦的失重峰向高温区移动，着火温度与燃尽温度推迟，最大失重速率增大。结合综合燃烧指数，SW600燃烧性能更优异，并且其燃烧所要克服的能垒更低，平均活化能仅为138.30kJ·mol-1。动力学计算表明，TT600燃烧反应过程受D3（三维扩散）模型控制，SW600燃烧反应由O1（一级化学反应）模型控制，反应所需活化能随碳转化率升高而降低。结渣指数表明，SW600相比于TT600更易结渣，是由于较多的碱性金属易与酸性氧化物（主要为SiO2）反应生成低共熔点盐，降低了残渣熔融温度。 （3）TT600与SW600中碳质组分燃烧引起与其联结存在的矿物组分熔融，形成大量结构复杂且致密的燃烧灰渣。TT600灰渣中Si-O结构显著，800-900℃之间无定形SiO2向结晶相转变，在SW600中，ZnS随着燃烧反应进行向ZnO结构转变。重金属元素与矿物结合紧密，Zn和Si通过高温固相反应机理生成Zn2SiO4。燃烧温度升高增大了重金属饱和蒸汽压，TT600和SW600中Cu、Zn、Pb、Ba、As的挥发性上升。灰渣中Pb、As、Cr、Mn的稳定态比例更高，环境风险较低。升温过程中Cr、Mn、Ba、Cu、Zn与碳酸盐以及有机质的结合被破坏，向残渣态转换，尤其在TT600灰渣中更为明显，而Pb、As的不稳定态比例上升。不同化学形态表现出的结合强度决定了重金属的环境风险性，基于RAC评估，TT600比SW600对温度更敏感，重金属元素风险性随着温度升高整体上升。根据ICF与GCF分析结果，单个重金属元素Zn的风险水平最高，SW600燃烧灰渣的潜在风险最高。
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