污泥热解工艺机理与碳排放研究

论文摘要

随着我国污水处理事业的高速发展,污泥处理问题逐渐开始凸显。从国内外发展来看,污泥安全处理与资源化利用是污泥处理处置的发展趋势。污泥热解处理工艺是国内外研究热点之一。通过热解工艺可以实现污泥能源化利用与资源化利用的双重目标,同时热解产物可以实现碳封存进而减少污泥热化学处理过程中温室气体排放。本研究主要分为污泥热解机理探讨、污泥热解工艺碳排放模型的建立、不同污泥处理工艺碳排放的比较。通过对污泥热解过程中气态产物、固态产物的分析,深入阐述污泥热解机理,同时对污泥碳中稳定碳形态与含量进行深入分析;在明确污泥热解工艺机理的基础上,建立污泥热解工艺碳排放机理,并对工艺碳排放量进行核算;比较不同污泥处理处置工艺碳排放量。通过FTIR分析了不同热解温度下污泥碳中的官能团分布,结果表明热解终温在600℃以上时污泥碳中有机物趋于稳定,有利于后续处置与资源化利用;通过TG-FTIR、TG-MS两种分析方法,分析了污泥热解过程中各种气体生成规律;通过（13）C核磁共振、拉曼光谱对热解终温为650℃的污泥碳中稳定碳形态进行了分析,结果表明污泥碳中碳元素主要以芳香碳形式存在,芳碳率fa=93.94%;通过热化学氧化法确定了污泥碳中稳定态碳元素的含量占总含碳量的92.43%;拉曼光谱谱图研究表明,650℃热解终温污泥碳中存在稠环芳烃以及类石墨微晶结构。通过对污泥中主要物质木质素、蛋白质、脂类物质、纤维素和半纤维素热解机理的总结,可以得出污泥热解过程中存在自由基生成反应、脂肪侧链断裂反应、含氧官能团分解反应、裂解反应、脱氢反应、加氢反应、缩合反应、桥键断裂反应、缩聚反应等。污泥干化-热解工艺碳排放或者减排可以分为三个阶段:干化阶段、热解阶段和污泥碳利用阶段。以处理1t含水率为80%的污泥计,热干化-热解工艺碳排放量为501.98 kgCO2e(CO2e表示二氧化碳当量);考虑污泥中的碳为中性碳,干化-热解整体碳排放量为106.213 kg CO2e;以处理1t含水率为80%的污泥计,污泥干化-焚烧碳排放量为486.586 kgCO2e,扣除其中中性二氧化碳,碳排放量为49.583 kgCO2e。污泥好氧发酵工艺碳排放量为28.0834 CO2e,扣除其中中性碳产量,碳排放量为24.083kgCO2e。热干化-热解工艺与热干化-焚烧工艺碳排放量相当,但是考虑到热解污泥碳具有良好的资源化应用前景,而焚烧飞灰与底灰只能作为危险废弃物填埋处理,热解工艺仍然具有显著优势;好氧发酵工艺碳排放量较低,当污泥中有毒有害有机物、重金属含量较低时,可以采用好氧发酵工艺减少污泥处理处置工艺的碳排放量。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 国内外污泥处理处置发展与现状
• 1.2.1 我国污泥处理处置发展与现状
• 1.2.2 国外污泥处理处置与发展现状
• 1.2.3 国内外污泥处理处置发展趋势
• 1.3 国内外污泥热解技术研究现状
• 1.3.1 污泥热解材料化利用研究现状
• 1.3.2 污泥热解能量化利用研究现状
• 1.4 污泥处理处置过程碳排放研究现状
• 1.4.1 国外污泥处理处置过程碳排放研究现状
• 1.4.2 国内污泥处理处置碳排放研究现状
• 1.4.3 污泥处理处置碳排放评价过程中的问题
• 1.5 课题来源与主要研究内容
• 1.5.1 课题来源
• 1.5.2 研究目的与意义
• 1.5.3 主要研究内容
• 第2章 污泥热解工艺机理与污泥碳中稳定碳研究
• 2.1 污泥热解产物分析试验方法
• 2.1.1 不同热解终温污泥碳制备与FTIR 分析
• 2.1.2 污泥热解TG-FTIR/TG-MS 试验方法
• 2.1.3 污泥中稳定碳含量与形态分析方法
• 2.2 污泥热解产物分析试验结果
• 2.2.1 不同热解终温污泥碳产率与FTIR 分析
• 2.2.2 污泥热解TG/DTG/DSC 分析
• 2.2.3 污泥热解TG-FTIR/TG-MS 联用分析
• 2.2.4 污泥中稳定碳含量与形态分析
• 2.3 污泥热解过程反应历程与主要产物生成分析
• 2.3.1. 污泥中有机质热解机理
• 2.3.2. 污泥中无机物热解机理
• 2.3.3 污泥热解过程反应类型分析
• 2.3.4 污泥热解产物成因分析
• 2.4 小结
• 第3章 污泥热解工艺碳排放模型的建立与应用
• 3.1 污泥干化工艺碳排放分析
• 3.2 污泥热解工艺碳排放分析
• 3.2.1 污泥热解工艺直接排放源识别与分析
• 3.2.2 污泥热解工艺间接碳排放源识别与分析
• 3.2.3 污泥热解工艺温室气体减排源识别与分析
• 3.2.4 污泥干化-热解工艺碳减排潜力核算
• 3.3 污泥碳资源化利用过程中碳排放分析
• 3.4 小结
• 第4章 污泥处理处置工艺碳排放水平比较
• 4.1 污泥干化-焚烧工艺碳排放量
• 4.1.1 污泥干化-焚烧工艺碳排放分析
• 4.1.2 污泥干化-焚烧工艺碳排放量与影响因素
• 4.2 污泥好氧发酵工艺碳排放量
• 4.2.1 污泥好氧发酵工艺碳排放分析
• 4.2.2 污泥好氧发酵工艺碳排放量与影响因素
• 4.3 不同工艺碳排放量比较与不确定性分析
• 4.3.1 不同工艺碳排放量比较
• 4.3.2 不确定性分析
• 4.4 碳排放量与污泥处理处置目标的关系
• 4.5 小结
• 结论与建议
• 参考文献
• 致谢