热解温度和气氛对高油含量冷轧含油污泥热解特性的影响

《ACS Omega》：Effect of Pyrolysis Temperature and Atmosphere on the Pyrolysis Characteristics of Cold-Rolled Oily Sludge with a High Oil Content

油污泥低温热解过程中，550°C氮气气氛下油品收率达61.24%，气相含H?和CO比例最高，SARA分析显示饱和烃含量提升11.25%，沥青质减少13.83%，表明氮气保护优化产物平衡。CO?气氛抑制油品生成但促进气体产量，含CO?/CO?/N?混合气体时H?和CO释放量达峰值，验证水泥窑尾气（64%N?/30%CO?/6%O?）作为热解载气的可行性，同时需关注SO?/NO?迁移及多组分协同热解机制。

　　油污泥作为一种重要的工业废弃物，其处理与资源化利用一直是环保和能源领域关注的焦点。油污泥主要由石油烃类、水分以及矿物质杂质组成，其中含有多种有机污染物、有毒金属和细菌等有害成分。如果处理不当，油污泥可能对土壤、水体和大气造成严重污染。因此，开发高效、环保的处理技术显得尤为重要。近年来，热解技术因其能够有效减少二次污染并实现高回收率，成为处理油污泥的一种理想方法。本文围绕一种创新的热解策略展开研究，即利用水泥窑尾气作为热解反应的保护气氛，探讨其对油污泥热解性能的影响。

在传统热解过程中，通常采用惰性气体如氮气作为保护气氛，以防止氧化反应的发生。然而，水泥窑尾气由于含有较高的二氧化碳浓度（可达30%以上）和少量的氧气，使其成为一种具有潜力的替代气体。这种热解方法不仅能够利用油污泥中的有机物作为燃料，还能将热解产生的气体用于水泥生产，实现资源的循环利用。然而，目前对于水泥窑尾气作为油污泥热解气氛的应用研究仍较为有限，因此有必要深入探讨其在热解过程中的具体作用。

本文选取了高油含量的冷轧油污泥作为研究对象，系统分析了热解温度（400–600 °C）和不同气氛（包括纯氮气、纯二氧化碳、氮气与二氧化碳混合气体以及模拟水泥窑尾气）对热解行为的影响。研究过程中采用了气相色谱（GC）、气相色谱-质谱联用技术（GC-MS）以及SARA分析方法，以评估热解气体的组成、油品的性质以及热解产物的产率。通过这些分析手段，研究人员能够全面了解热解过程中不同因素对产物生成的影响。

在氮气气氛下，随着热解温度的升高，热解气体的产率逐渐增加，而热解油的产率则呈现先升后降的趋势。当热解温度处于500–550 °C之间时，热解油的产率超过60%，油回收率达到85%以上，此时热解产物的产率和质量达到最佳平衡。这表明，在特定温度范围内，氮气气氛下的热解过程能够实现较高的资源回收率。同时，热解气体的产率在该温度区间内显著上升，进一步证明了该热解策略的可行性。

相比之下，二氧化碳气氛下的热解油产率较低，但热解气体的产率较高。这种差异可能源于二氧化碳在热解过程中对裂解产物的促进作用，例如与裂解产生的烯烃和自由基反应，生成更多的二氧化碳和新的自由基。此外，二氧化碳还能够促进热解气体中氢气和一氧化碳的生成，从而提升热解气体的质量。研究还发现，在64%氮气/36%二氧化碳的混合气氛下，热解油的产率介于纯氮气和纯二氧化碳之间，而热解气体的产率则受到氮气的稀释效应影响。这表明，混合气氛在热解过程中具有一定的调节作用，能够平衡油和气的产率。

进一步的研究发现，在模拟水泥窑尾气（64%氮气/30%二氧化碳/6%氧气）的气氛下，热解气体中氢气和一氧化碳的释放量达到最大值，其中氢气的比例为39.50%，一氧化碳的比例为34.09%。这表明，少量的氧气在热解过程中能够促进部分氧化反应，从而提高一氧化碳的产率。同时，该气氛下的热解油产率相对较低，但油品质量得到了显著改善，这可能是由于二氧化碳的引入促进了油品中某些烷烃向芳香烃的转化，提高了油品的稳定性。

在热解过程中，不同气氛对产物的化学组成也有显著影响。例如，在氮气气氛下，热解油中饱和烃的含量较高，而沥青质的含量较低，这表明油品的品质得到了优化。而在二氧化碳气氛下，沥青质的含量相对较高，这可能与高温下某些大分子有机物未能完全裂解有关。此外，研究还发现，不同气氛对热解油中有机化合物的分布也有影响，其中芳香烃的含量在二氧化碳气氛下有所增加，这可能与脱氢、脱氧、环化和聚合等反应有关。

总体来看，热解温度和气氛是影响油污泥热解性能的关键因素。在550 °C的温度下，热解油的产率和质量达到最佳状态，同时热解气体的产率也较高，这表明该温度是热解过程中的最佳选择。而模拟水泥窑尾气作为热解气氛，不仅能够有效提升热解气体的质量，还能够促进油品中某些有机物的转化，从而提高油品的回收率。这一发现为油污泥的资源化利用提供了新的思路和方法。

未来的研究方向应包括以下几个方面：首先，探索热解气氛与催化剂之间的协同效应，以降低热解温度并更精确地调控产物分布。开发高效的催化剂对于提高油污泥热解的经济性和环保性具有重要意义。其次，水泥窑尾气中除了二氧化碳外，还含有二氧化硫和二氧化氮等污染物，因此需要关注这些污染物在热解过程中的迁移和控制，以确保热解过程的环境友好性。最后，可以进一步研究油污泥与其他固体废弃物（如废旧纺织品、塑料和轮胎）的共热解行为和机理，以探索更高效的资源回收方法。通过这些研究，有望实现更高回收率和更高质量的热解产物，为油污泥的可持续处理提供支持。