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《华中科技大学》 2010年
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污泥热解制取富氢燃气实验及机理研究

熊思江  
【摘要】:随着城市污水处理量的增加和水处理程度的深化,污泥产量大幅提高,而环境标准的日益严格,更加剧了污泥处置问题的严峻性。与此同时,污泥作为一种生物质资源,其有机物含量和热值的日渐增高也使其具备很高的能源利用价值。热解法作为最具前景的污泥资源化技术之一,因其经济性好、二次污染小及能量回收率高等优点在世界范围内引起了广泛关注。污泥含水率对热解的影响十分重要,一方面含水率的增加提高了原料预干燥过程的能耗,增加了热解成本;另一方面,热解过程中水分的参与有利于提高气体产率,促进富氢燃气的生成。本文从经济性和实用性的角度出发,对湿污泥在高温下一次性完成干燥、热解和气化的热化学反应过程及其产物特性展开系统研究,主要研究内容和结论如下: 采用管式炉热解装置,研究了加热模式、热解终温、含水率及升温速率对污泥热解产物产率及气体产物特性的影响规律,结果表明,污泥热解所得气体产物主要包括H2、CO、CO2、CH4和少量的C2H2、C2H4、C2H6、C3H6及C3H8。待温度达到设定温度后,再将物料迅速送入反应区的加热模式有利于得到高品质的富氢燃气;高温能减少固体碳和焦油的产量,并生成大量H2和CO等小分子气体;含水率的提高促进了热解初期产物的蒸汽重整反应和残炭的气化反应,有利于氢气组分和其他可燃气体的生成,所得气体热值高达12MJ·m-3以上;此外,提高升温速率可使污泥在较短时间内达到设定温度,延长了挥发分在高温环境下的停留时间,提高了气体产率,降低了焦油和残炭的产率。 在不同升温速率下利用热重-差热(TG-DTA)综合热分析仪对干燥污泥和含水率为84%的湿污泥的热解动力学特性进行了对比分析。结果表明干燥污泥的TG曲线有一个明显的失重段,其热解过程可大致分为脱水、热解主体阶段及炭化阶段;湿污泥的TG曲线则出现了两个明显失重区间,可据此将其热解过程分为脱水、热解初期阶段、热解主体阶段及炭化阶段;升温速率对湿污泥的影响远大于干燥污泥,高升温速率可在一定程度上促进反应的进行,有利于提高污泥有机质的转化率。研究根据Coats-Redfern法,采用11种常见机理函数对不同升温速率下干、湿污泥的热解主体阶段进行线性模拟,并结合Malek法筛选出最为合理的机理方程,求解其表观动力学参数,并建立动力学方程。在保证热解充分进行的条件下,升温速率对于干燥污泥热解主体阶段的活化能影响不大,但湿污泥在该阶段的活化能则随着升温速率的提高而增加;同一升温速率下,湿污泥热解主体阶段的活化能大于干燥污泥。 利用气相色谱-质谱联用仪和傅里叶红外光谱仪等检测设备,研究了不同含水率污泥在不同温度下热解所得主要产物的分布和组成,探讨了温度和含水率对热解产物特性的影响规律,进而对产物的形成途径及热解机理进行了系统分析。结果表明,水蒸气在大分子有机化合物的裂解过程中起着至关重要的作用,水分的参与促进了有机质蒸汽重整反应的发生,有利于CO和H2等气体的生成,在减少有毒物质和结焦现象产生的同时,提高了富氢燃气的产量;另外,水蒸气还促进了挥发份的析出,使残炭中的有机质含量大幅减少,热解更加完全。当湿污泥被送入热解炉时,水分迅速脱除形成高温水蒸气,同时挥发份析出,一部分热解初期产物和焦炭会与高温水蒸气发生蒸汽重整反应和气化反应,生成H2、CH4、CO2和CO等气体;随着温度继续升高,大分子有机物发生二次裂解,生成大量H2、CO和C2、C3等小分子气体,还有一部分有机质通过缩合、环化、芳香化反应,形成大分子PAHs,同时产生大量H2,因此H2的大幅增长标志着焦油二次反应的发生。此外,PAHs的形成过程可用Diels-Alder反应机理解释。 对1000℃下干燥污泥和含水率为84%的湿污泥的热解过程进行了质量和能量衡算分析,通过干、湿污泥热解系统建立的质量平衡误差分别在1.0%和6.4%左右;湿污泥的热解反应热Qp远高于干燥污泥,但其中有超过70%的能量被用于水分蒸发和水蒸气的升温,实际热裂解工艺热Qpyrolysis则明显低于干燥污泥;热解过程可回收大量高品质的富氢燃气、焦油及固体残炭,其中热解气不但可直接用于热解系统的供热,还可作为管道煤气或化工原料,焦油也可在回收加工后当做石油的替代燃料,固体残炭则可作为建筑材料;烟气余热的回收利用对湿污泥热解制气技术的推广具有十分重要的作用。 从拓展湿污泥热解形式,提高产品附加值,降低热解成本的角度出发,研究了干、湿污泥和秸秆的掺混比例对共热解产物分布、热解气组成、热值及气体能量转化率的影响,结果表明随着污泥掺混比例的提高,共热解产生的气体和焦油的产率减少,固体残炭产率显著增加,相同的掺混比例下,湿污泥/秸秆共热解的气体产率均大于干燥污泥/秸秆共热解的气体产率,这是由于在污泥/秸秆共热解过程中,秸秆的添加可补充碳源的不足,并提高原料的挥发分含量,水分可作为气化剂和氢源,有利于富氢燃气的生成,但随着湿污泥掺混比例的进一步升高,原料挥发份含量下降,碳氢化合物的析出减少,气体产率显著降低,且H2、CO和CnHm的产量也明显下降,气体整体产量的减少和高热值CnHm气体比率的降低也造成了气体热值和相应气体能量转化率的下降。
【学位授予单位】:华中科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:X703

【引证文献】
中国博士学位论文全文数据库 前1条
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【参考文献】
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【同被引文献】
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4 本报通讯员 冯涛;邯郸对污泥全过程监管[N];中国环境报;2011年
5 ;粤九成污泥填埋为害甚于污水[N];南方日报;2011年
6 本报记者 孙秀艳;八成污泥没有得到妥善处理[N];人民日报;2011年
7 本报见习记者 范圣楠 李莉 记者 闫艳 高杰;处理多少污水 也要管多少污泥[N];中国环境报;2011年
8 黄洪鑫;赣州污泥污水无害化处置三同步[N];中国建设报;2011年
9 琼玲;年底污泥全部实现无害化处置[N];无锡日报;2011年
10 徐海峰;伊春强化污泥污染防治[N];中国环境报;2011年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 熊思江;污泥热解制取富氢燃气实验及机理研究[D];华中科技大学;2010年
2 林群慧;微波辅助热解污泥机理与试验研究[D];天津大学;2012年
3 姬爱民;污泥热解液加工方法及其产品的燃料特性研究[D];天津大学;2010年
4 肖汉敏;污泥热干燥与焚烧特性研究[D];华南理工大学;2010年
5 张强;生物质与煤共气化过程中磷元素的迁移与影响[D];华东理工大学;2012年
6 熊思江;污水污泥热解制取富氢燃气实验及机理研究[D];华中科技大学;2010年
7 邵瑞华;泥质活性炭的制备及污泥热解动力学研究[D];西安建筑科技大学;2011年
8 刘秀如;城市污水污泥热解实验研究[D];中国科学院研究生院(工程热物理研究所);2011年
9 左宁;基于强化除磷脱氮及低污泥产量的污水处理工艺技术研究[D];重庆大学;2010年
10 章金骏;污泥烧制陶粒的技术路径与控制因子研究[D];浙江大学;2012年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 尹娜;超细污泥与煤粉混燃机理及污染排放特性研究[D];沈阳航空工业学院;2010年
2 何念;污泥热解特性及其焦产物中痕量元素淋滤实验研究[D];华中科技大学;2011年
3 张丽;污泥催化裂解试验研究[D];南京大学;2011年
4 王春艳;污泥的载体干化与热解特性研究[D];郑州大学;2012年
5 王爽;污泥超声波预处理技术基础研究[D];沈阳航空工业学院;2010年
6 刘欣;印染污泥干燥特性和干燥工艺的研究[D];华南理工大学;2010年
7 何鉴尧;印染污泥干燥过程中挥发性污染物的研究[D];华南理工大学;2010年
8 张威;污泥用作水泥工业替代燃料的工艺性能研究[D];武汉理工大学;2011年
9 王存坡;不锈钢冷轧副产污泥的优化利用技术研究[D];武汉理工大学;2011年
10 陈彬;节能型盘式污泥干燥设备研发[D];杭州电子科技大学;2011年
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