活性炭吸附用于二惡英的去除，隨著生活垃圾焚燒處理量迅速增加，所以需要開發(fā)經(jīng)濟(jì)適用的處理方法。二惡英是廢物焚燒過(guò)程中的主要污染化合物之一，垃圾焚燒廢氣中二氧芑類物質(zhì)通常是通過(guò)活性炭吸附。因此，對(duì)于活性炭的需求不斷增加。低成本，高效率的活性炭生產(chǎn)具有很強(qiáng)的工業(yè)前景。

　　本期我們適用四種典型的生物質(zhì)廢棄物被用作生產(chǎn)活性炭的原料。使用了兩步法，即碳化與蒸汽活化相結(jié)合。分析了副產(chǎn)物，尤其是焦油化合物。計(jì)算流體力學(xué)的方法用于研究碳化副產(chǎn)物的利用。然后，提出了一種從生物質(zhì)廢物中生產(chǎn)活性炭的環(huán)保方法。總計(jì)使用了四種生物質(zhì)原材料用于碳化，并進(jìn)一步用于制備活性炭樣品。將原料粉碎成1-5厘米大小，然后在管式爐反應(yīng)器中熱解。TG-FTIR生物質(zhì)碳化結(jié)果表明，熱解和碳化的主要溫度范圍為220–450°C，高灰分含量可能會(huì)影響孔的形成過(guò)程以及活化過(guò)程中活性炭的質(zhì)量。但是，為了分析碳化過(guò)程中的揮發(fā)物釋放特性，圖1中顯示了一組不同生物質(zhì)熱解揮發(fā)物的紅外光譜的典型3D圖。

　　圖1：四種生物質(zhì)樣品熱解過(guò)程中氣態(tài)產(chǎn)物的3D FTIR吸收光譜。

　　紅外光譜跟蹤從40到800°C的釋放揮發(fā)物。可以觀察到已鑒定出氣體(CO2，CO，CH4，CxHy，H2O)和一些有機(jī)揮發(fā)性化合物(例如酸，醛，醇和醚)。上面討論的TGA和DTG曲線剛剛表明了按重量計(jì)的揮發(fā)性釋放特性。3D IR吸光度圖直觀地展示了氣體和揮發(fā)性有機(jī)化合物的釋放特性。

　　旋轉(zhuǎn)碳化反應(yīng)器燃燒室的流體力學(xué)建模

　　為了使用碳化副產(chǎn)物，設(shè)計(jì)了一個(gè)燃燒室，用于處理?yè)]發(fā)物(氣態(tài)和焦油化合物)，以提供碳化活性炭所需的熱量。碳化爐采用套筒式設(shè)計(jì)，旋轉(zhuǎn)碳化爐的結(jié)構(gòu)如圖2。生物質(zhì)材料在內(nèi)缸中移動(dòng)，熱煙道氣在外缸中流動(dòng)。煙道氣是通過(guò)在燃燒室中燃燒部分碳化揮發(fā)物而產(chǎn)生的，該煙氣提供了內(nèi)缸中的干燥和碳化反應(yīng)所需的熱量。爐子的詳細(xì)尺寸如下：碳化室和外部加熱室的直徑分別為400毫米和700毫米。旋轉(zhuǎn)爐的長(zhǎng)度是3000mm。燃燒室的長(zhǎng)度為1200毫米。碳化氣體入口的直徑為16mm，空氣入口的直徑為10mm。

　　圖2：旋轉(zhuǎn)碳化爐的結(jié)構(gòu)。

　　為了優(yōu)化反應(yīng)器的運(yùn)行，使用流體力學(xué)建模來(lái)模擬揮發(fā)物的燃燒。該模型包括焦油的轉(zhuǎn)化以及活性炭和灰份的形成。模擬并比較了三種工作條件截面中的溫度分布特性顯示在​圖3顯示。

　　圖3：旋轉(zhuǎn)反應(yīng)器橫截面上的溫度分布：(a)用于燃燒的碳化揮發(fā)物的10%;(b)用于燃燒的碳化揮發(fā)物的20%;(c)30%用于燃燒的碳化揮發(fā)物。

　　活性炭對(duì)二惡英的吸附和去除

　　二惡英是結(jié)合兩個(gè)苯環(huán)的氧的產(chǎn)物。就分子量而言，它們是184–460g/mol的有機(jī)鹵素化合物。以2,3,7,8-PCDD為例，一個(gè)分子的大小可以估計(jì)為最大長(zhǎng)度為1.8nm，寬度為1.0nm，最小厚度為0.4nm。36當(dāng)要凈化的氣體中存在1ng-TEQ/Nm3二惡英樣化合物時(shí)，可以認(rèn)為1Nm3中二惡英樣化合物的數(shù)量約為2–200萬(wàn)億。在實(shí)際的焚燒煙氣中，這些二惡英分子中的大多數(shù)都附著在顆粒上，例如灰塵，大約40%的二惡英以分子形式懸浮在氣體中。活性炭作為二惡英樣化合物的吸附劑，它們必須具有吸引和吸附二惡英樣化合物的能力。為了將二惡英類化合物分子引入到吸附劑(活性炭)的孔中，孔的入口直徑被認(rèn)為比二惡英類化合物分子的最大直徑大一個(gè)數(shù)量級(jí)。為了通過(guò)類二惡英類化合物的分子運(yùn)動(dòng)將類二惡英類化合物誘導(dǎo)到孔深處的吸附固定位置，錐形收縮孔是理想的。同時(shí)，為了吸附和固定所吸引的二惡英樣化合物，需要大量孔徑為2.0-5.0nm的孔。根據(jù)前面的研究發(fā)現(xiàn)，兩種由木質(zhì)材料制成的活性炭樣品均具有豐富的孔，直徑范圍為2.0至5.0nm，這表明這兩種材料非常適合二惡英的吸附。

　　針對(duì)由四種生物質(zhì)廢料生產(chǎn)的活性炭，提出了碳化與蒸汽活化相結(jié)合的兩步過(guò)程。研究了揮發(fā)物的釋放特性以及碳化和蒸汽活化條件。獲得了用于從廢物中生產(chǎn)活性炭的優(yōu)化參數(shù)。管式爐反應(yīng)器的碳化結(jié)果表明，糠醛和苯酚及其衍生物是廢物碳化中的主要焦油化合物。碳化實(shí)驗(yàn)表明，溫度為500°C，停留時(shí)間為30分鐘是三種生物質(zhì)廢物的優(yōu)化參數(shù)。木質(zhì)1,2和椰殼的焦炭收率分別為26.4、25.73和30.38%。流體力學(xué)模型已經(jīng)證明，使用20%的揮發(fā)物進(jìn)行直接燃燒可以實(shí)現(xiàn)較低的污染，并為生物質(zhì)廢物的碳化提供熱量。焦油和其他污染物幾乎可以通過(guò)直接燃燒消除。孔隙結(jié)構(gòu)分析表明，源自兩種木質(zhì)材料制成的活性炭樣品具有豐富的孔隙，平均直徑為2至5nm，適合于二惡英的去除。椰殼活性炭?jī)?yōu)先使用直徑小于2nm的微孔，這不適合去除大分子污染物，例如二惡英。

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