引言随着我国塑料产品的大量使用，废旧塑料产量急剧增加。废旧塑料填埋后不易降解，焚烧废旧塑料对生态环境造成破坏[1]。1900年以来，全球塑料产量急速增加；1950年的塑料产量为200万t，2018年的塑料产量飙升至3.59亿t；2019年底，全球塑料消费量累计100亿t。其中，传统塑料产量约88亿t，预计2040年塑料产量将再次翻倍[2-3]。活性炭可被用于净化室内空气、烟气脱硫、脱硝水处理、金属离子的吸附等；活性炭还可用作催化剂的载体，负载TiO2进行光催化，负载MnO2进行室内甲醛的去除，负载ZnO进行光催化，负载镍催化甲苯裂解等；活性炭还能够作为储能材料使用，如电极材料、锂离子电池等[4]。2018年，全球活性炭需求量约165万t，同比增长6.7%，预计2025年全球活性炭需求量接近210万t[7]。活性炭的广泛应用为活性炭制作行业带来发展，重点发展方向为充分利用废弃资源制取高性能活性炭。以废塑料为主要原料，充分发挥塑料高含碳的特点，将废塑料与玉米秸秆混合，借助塑料与生物质热解过程中的协同作用[8-10]，制取孔隙发达的活性炭，选用合适的活化剂，同步完成炭化、活化过程，可以在干基状态制取活性炭，简化活性炭制取工艺，进一步研究制取的活性炭对煤的热解催化效果，为废塑料的资源化、高值化利用提供参考。1试验内容1.1活性炭制备活性炭制备原料包括废塑料、玉米秸秆。废塑料、玉米秸秆经破碎后充分混合，选用碳酸钾（K2CO3）作为活化剂，炭化、活化工序在物料均为干基的状态下同步完成。活性炭样品制取流程如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.01.018.F001图1活性炭样品制取流程活性炭样品制备的材料配比（质量比）如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.01.018.T001表1活性炭样品的制备材料配比（质量比）原料∶活化剂活性炭样品编号原料配比废塑料玉米秸秆1∶1AC-125AC-235AC-3551∶2AC-425AC-535AC-6551.2热解试验利用微机热天平（HTG-2，北京恒久科学仪器厂），进行催化剂对煤的热解动力学特性试验，每次试验使用10 mg样品，活性炭样品质量占比10%。加热速率为40 ℃/min，在氮气气氛3 000 mL/min条件下进行试验。试验中加入原煤对照组，即7号样品组，为原煤10 mg。将加入对应活性炭编号的试验组称为对应序号样品组。1.3热解动力学特性分析方法文中采用均相模型[11]。均相模型中，在气-固两相反应期间，反应在整个样品颗粒内进行，内外扩散速率很快，随着反应的发生，反应颗粒尺寸不变，密度变化均匀。根据陈姗[12]等的研究。选取动力学方程式(1)，可以较为合理准确地描述样品在微机热天平中受热失重过程。dαdt=kf(α) (1)α=m0-mm0-m∞  (2)式中：α——转化率，%；t——反应时间，s；k——速率常数，根据Arrhenius公式计算；m0——样品初始质量，g；m——某一时刻或某一温度下的样品质量，g；m∞——最终时刻的样品质量，g；f(α)——样品在试验过程中未分解的固体颗粒与样品反应速度之间的数学关系，本试验均相反应模型为f(α)=1-α。dαdt=Ae-E/RTf(α) (3)式中：A——频率因子，min-1；E——反应活化能，J/mol；R——气体常数，取8.314 J/(mol∙K)；T——反应温度，K。采用Freeman-Carroll法，化简为：lndαdt/(1-α)=lnA-ERT (4)动力学方程可简化为Y=aX+b，Y=ln[dαdt/(1-α)]，X=1T，a=-E/R，b=ln[A]。拟合Y-X曲线，求得相应的E、A以及相关系数。2结果与讨论2.1热解过程分析2.1.1催化剂加入对煤热失重特性影响原料∶活化剂=1∶1时的失重曲线如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.01.018.F002图2原料：活化剂=1：1时的失重曲线由图2可知，420 ℃左右时出现了热解失重峰，1号样品组失重率上升最迅速，随着塑料添加量的增加，失重率的变化率下降。原料∶活化剂=1∶2时的失重曲线如图3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.01.018.F003图3原料∶活化剂=1∶2时的失重曲线由图3可知，440 ℃左右时出现了热解失重峰，6号样品组失重率上升最迅速，随着塑料添加量的增加，失重率的变化率逐渐上升。1号、6号样品组与原煤组的失重曲线如图4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.01.018.F004图41号、6号样品组与原煤组的失重曲线由图4可知，出现失重峰时，分析失重峰变化情况，6号样品组煤热解的失重的变化剧烈程度明显优于1号样品组。原料∶活化剂为1∶1的组别拥有更优秀的性能。在上述比例中，生物质∶塑料为1∶1的活性炭样品（AC-1）的性能最优秀。活性炭样品的加入使样品组的表现均优于原煤对照组。6号样品组活性炭样品性能较优秀。2.1.2催化剂对煤热解失重速率影响情况分析温度对1号、6号样品组失重速率的影响如图5所示。6号样品组的热解峰优于1号样品组，在热解峰峰值阶段，6号样品组失重速率比1号样品组高0.083 mg/min。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.01.018.F005图5温度对1号、6号样品组失重速率的影响数据分析过程中使用了待定系数法，根据图表确定大致范围，利用时间顺序选择两点之间的DTG参数构建函数：fx=ξx+c (5)式中：ξ——两点的变化率；c——失重速率的参量,mg/s。各样品组入峰温度分布及瞬时变化率如图6所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.01.018.F006图6各样品组入峰温度分布及瞬时变化率由图6可知，与其他组相比，6号样品组的入峰温度更低，变化率更高。各试验组样品的特性均优于原煤对照组。样品在430 ℃左右时进入热解失重峰，从原始数据中筛选430 ℃左右出现的热解失重最大速率。各样品组热解峰最大失重速率及瞬时温度如图7所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.01.018.F007图7各样品组热解峰失重速率及瞬时温度由图7可知，6号样品组失重速率为0.392 427 mg/min，比平均值高23%左右。在温度方面，各个样品组的差别不明显，5号样品组出现失重速率峰值的温度最低，为435.053 ℃。2.2动力学特性分析选取300~400 ℃、400~500 ℃两个温度区间，利用气化动力学模型分析，计算气化动力学参数。各温度区段的动力学模型如表2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.01.018.T002表2各温度区段的动力学模型温度区间/℃样品编号E/(J/mol)A/min-1R300~40012130.990 00.996 822451.235 90.815 632141.055 70.947 242821.879 90.933 352461.520 30.805 962381.389 40.747 673032.132 40.840 3400~500142111.841 40.920 3263287.435 40.954 6357553.839 10.929 1461760.983 30.958 1554247.894 50.946 0651442.321 70.914 5768791.238 00.856 1由表2可知，300~400 ℃温度区间内，与活化剂配比1∶2的组别相比，活化剂配比1∶1的组别的活化能更优；原料和塑料配比有对照关系的组别中，活化能平均减少约30 J/mol。因此，在300~400 ℃温度区间内，加入原料∶活化剂为1∶1工况的活性炭对煤的催化气化表现更好。400~500 ℃温度范围内，相关系数均达到很高水平，数据的可信性更强。反应活化能方面，原料∶活化剂为1∶1的表现更优，比原料∶活化剂为1∶2组高约75 J/mol；频率因子方面，原料∶活化剂为1∶1的组别的值更低。400~500 ℃温度范围内，原料∶活化剂之比为1∶1的活性炭样品的催化能力更强。3结语（1）对比原煤对照组和试验组的热解过程和动力学特性指标，加入活性炭样品对原煤的热解和省能均具有促进作用。（2）基于构建模型进行动力学特性分析，300~400 ℃温度区间内，原料∶活化剂配比为1∶1的组别表现更佳，与原煤相比可以省能14%；400~500 ℃温度区间内，原料∶活化剂配比1∶1的组别综合表现更优越，与原煤相比可以省能5%左右。（3）热解分析过程发现，AC-6组在失重速率和失重量方面具有更好的表现，但在综合表现方面，AC-1组（废塑料∶玉米秸秆∶活化剂∶之比=2∶5∶7）表现最好的特性，失重速率比平均值高21%，活化能较其他组下降约18%。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.01.018.F008