城市污水污泥热解试验与模型研究

论文摘要

污泥是城市污水处理厂的主要副产物之一,随着城市化的发展和环保要求的提高,污泥的产量急剧增加。如何处置日益增长的污泥以尽量消除其所产生的危害是人类面临的严峻挑战之一。热解因其经济性好、二次污染小、热解产物利用价值高等优点而被认为是实现污泥减量化、稳定化、无害化和资源化目标的极具潜力的热化学处理技术之一。本文依托华中科技大学煤燃烧国家重点实验室和新加坡南洋理工大学环境科学工程研究院的国际合作项目“城市污水污泥的资源化利用”对香港城市污水污泥的热解特性展开了全面的研究,所做的工作主要有以下几个方面:利用热重分析仪（TG）对一种初沉污泥和两种剩余污泥的热解特性进行了系统研究,对比分析了污泥在热失重曲线中体现出的不同规律,并利用Coats-Redfern积分法分别计算了各自的动力学参数;研究了样品量、样品粒径和升温速率对污泥热解特性的影响;采用热重与红外联用的方法,对热解气进行了连续扫描分析;鉴于污泥具有灰含量高的特点,研究了无机矿物质（Al2O3、CaO、Fe2O3、TiO2和ZnO）对污泥热解的影响,发现TiO2对热解起促进作用,CaO、Fe2O3和ZnO的抑制作用占主导,Al2O3对热解的影响较小,脱除矿物质灰分有益于污泥的热解。采用固定床热解装置对污泥进行热解实验,结合气相色谱仪、色谱质谱联用分析仪、扫描电镜和比表面积及孔径分析仪等分析技术对热解产物特性进行了详细研究。结果表明,随着热解温度的提高,焦炭的产率下降,热解气的产率增加,生物油产率在600℃时有最大值。随着温度的提高,焦炭的挥发分含量降低,灰分含量升高,热值降低;利用扫描电镜和比表面积及孔径分析仪分析发现焦炭存在较连续、完整的孔系统,而且孔隙结构随着热解温度的提高而变得发达,表面分形维数增加,焦炭的表面变得更加粗糙和不规则,比表面积和总孔容积增大,有助于污泥的热解。随着热解温度的升高,生物油中含氧化合物组分减少,芳香化合物的组分增加,热解温度的升高促进了化学键的断裂,形成更多的H2和CO等。三种污泥在600℃时热解生物油的组分主要含有乙酸、异亚丙基丙酮、二丙酮醇和苯酚等。热解气主要以CO、CO2、H2和CH4为主,还有少量的C2H4和C2H6等。随着热解温度的升高,CO2的产量逐渐减少,H2和CO的产量增加,CH4产量增加不明显。热解气的热值随温度的升高而增加,900℃时,初沉污泥的热值达到约14MJ/Nm3,而剩余污泥的热值分别约为10MJ/Nm3和7MJ/Nm3。三种污泥的最佳热解温度分别为900℃、800℃和600℃,此时可以得到利用价值较高的热解产物。全面分析热解产物的特性,对深入了解污泥的热解机理和热解产物的资源化利用具有重要的现实意义。污泥资源化利用的瓶颈之一是二次污染问题,而硫化氢（H2S）和重金属的排放受到研究者的广泛关注。本文重点对污泥热解过程中H2S和重金属的释放特性进行了研究,同时对热解焦炭中重金属的浸出特性进行了分析。随着热解温度的提高,H2S的析出呈现先增加后降低的趋势,在350℃左右达到最大值,H2S的释放特性与硫元素在污泥中的存在形态密切相关。污泥在热解过程中,除大部分Cr和Co释放到气相中外,其他重金属（Cu、Mn、Ni、V和Zn等）主要被固定在焦炭中。通过模拟不同的浸出条件,发现pH在59之间时,同一种金属在不同污泥中的浸出特性不同,不同重金属的同一污泥中的浸出规律也不同,但是重金属总的浸出量和浸出率都比较低。为对污泥的热解进行深层次的了解,分别采用动力学模型和热力学平衡模型对污泥热解的动力学特性和气体产物的分布特性进行了模拟,并与实验结果进行了对比,模拟结果与实验结果吻合良好,为工程设计提供了有价值的参考依据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 污泥的特点
• 1.2 污泥处置的现状
• 1.3 污泥热解技术研究现状及进展
• 1.4 热解的研究现状和发展趋势
• 1.5 本课题的目标、内容与思路
• 2 污泥的热解动力学特性与模型研究
• 2.1 污泥样品与实验方法
• 2.2 污泥热解特性实验结果与分析
• 2.3 污泥热解动力学模型
• 2.4 本章小结
• 3 无机矿物质对污泥热解的影响
• 3.1 实验原料和方法
• 3.2 结果与讨论
• 3.3 无机矿物质对污泥热解动力学特性的影响
• 3.4 本章小结
• 4 污泥固定床热解特性研究
• 4.1 实验装置和分析方法
• 4.2 热解产物的产率
• 4.3 生物油和热解气的特性
• 4.4 硫化氢析出特性
• 4.5 本章小结
• 5 污泥热解焦炭特性研究
• 5.1 实验样品和方法
• 5.2 焦炭物化特性分析结果与讨论
• 2 反应活性分析'>5.3 焦炭 CO₂反应活性分析
• 5.4 本章小结
• 6 重金属的富集形态和析出特性
• 6.1 实验样品和分析方法
• 6.2 重金属在污泥中的分布特点
• 6.3 重金属迁徙和释放特性
• 6.4 重金属的沥滤特性
• 6.5 本章小结
• 7 污泥热解的热重红外分析与热力学模型研究
• 7.1 实验和模拟方法
• 7.2 TGA-FTIR 实验结果与分析
• 7.3 热力学模拟
• 7.4 污泥热解的机理
• 7.5 本章小结
• 8 全文总结与建议
• 8.1 全文总结
• 8.2 研究特色和创新点
• 8.3 进一步工作的建议
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读博士学位期间发表的论文
• 附录2 攻读博士学位期间参与的相关项目