生物污泥热解资源化技术研究

论文摘要

热解法作为城市污水生物污泥焚烧处理的替代技术,因其经济性好、二次污染小、热解产物利用价值高等优点而受到广泛关注。本文采用具有明显温度梯度和热解反应时间段分布的能够模拟工程实际的固定床热解装置对城市生物污泥的热解过程进行了系统研究,采用热量计、元素分析仪、扫描电子显微镜、气相色谱等对热解产物特性进行了研究,并采用热重分析法对热解过程的机理进行了探讨。本文研究了热解终温、加热速率、反应时间及物料水分对热解产物产率及组成的影响的基本规律,得出热解终温是影响热解产物的最重要因素。热解终温超过450℃后,热解液的产率较高,终温为550℃时,液态产物的产率最高,可达43%。通过对热解油的原油评价分析得出,热解油中含有较多的轻质油,其组成类似柴油,污泥热解油具备替代柴油等燃料油的基本条件,经过适当地加工后,可以转化为矿物油类的替代品。通过对热解终温为250℃～700℃污泥热解固体产物的特性分析得出,随着热解终温的提高,固体产物中挥发份含量减少,而固定炭和灰分增加。由于高温段的固体产物具有较高的孔隙率,对热解气中的有害元素氯和硫有较强的吸附作用。根据气相色谱的分析结果,热解气低温段主要产物为CO2,而高温段产生的气体中含有大量的H2、CH4、CO等可燃气体,气体的热值较高。通过分析污泥热解过程的TG曲线、DTA曲线和DTG曲线,得出污泥热解过程可分为三个阶段,污泥热解过程为复杂反应,热重分析结果证明热解过程遵循Arrhenius公式。研究中采用微分法和积分法求解了污泥热解的表观动力学参数,根据线性拟合和非线性最小二乘法拟合的结果可以看出,热解的加热速率越快,热解所需的活化能越小,反应越容易进行。通过对污泥热解能量平衡分析得出,在本研究条件下,污泥热解过程回收的能量多于热解工艺消耗的能量。回收的能量可用于干燥或热解,也可作为化石燃料的替代品加以利用。本研究得出了能够模拟实际工程的生物污泥固定床热解产物特性的相关数据,为污泥热解技术得以工业化应用提供了可靠的基础性数据。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 城市污水厂生物污泥的特征及其处理现状
• 1.1.1 污泥的分类及组成
• 1.1.2 生物污泥对环境的污染
• 1.1.3 生物污泥的资源化属性
• 1.1.4 国内外污泥处理处置方法
• 1.1.5 污泥处理处置的原则及其发展趋势
• 1.2 污泥热解处理及资源化技术研究现状
• 1.2.1 热解法污泥处理技术的研究进展
• 1.2.2 热解法处理污泥的基本原理
• 1.2.3 污泥热解机理研究现状
• 1.2.4 热解法处理污泥工艺特点及主要设备
• 1.2.5 热解法生物污泥处理技术存在的主要问题
• 1.3 本研究的意义及主要研究内容
• 1.3.1 本研究的意义
• 1.3.2 本研究的主要内容
• 第二章 生物污泥热解装置及实验方法
• 2.1 热解装置
• 2.2 实验物料及其制备
• 2.3 实验方法
• 2.4 分析测试仪器及方法
• 第三章 污泥热解产物分布规律
• 3.1 引言
• 3.2 热解终温对热解产物产率的影响
• 3.2.1 热解过程物料温度变化规律
• 3.2.2 不同热解终温产物的质量分布规律
• 3.2.3 热解终温对热解液态产物产率的影响
• 3.2.4 热解终温对热解固体产物产率的影响
• 3.2.5 热解终温对热解气态产物产率的影响
• 3.2.6 热解终温对热解效率的影响
• 3.3 加热速率对热解产物产率的影响
• 3.3.1 加热速率对热解液态产物产率的影响
• 3.3.2 加热速率对热解固体产物产率的影响
• 3.3.3 加热速率对热解不凝结气体产率的影响
• 3.4 热解时间对热解产物产率的影响
• 3.5 污泥含水率对热解产物产率的影响
• 3.6 本章小结
• 第四章 污泥热解产物特性研究
• 4.1 引言
• 4.2 污泥热解液态产物的特性
• 4.2.1 热解液的物理特性
• 4.2.2 热解油的成分分析
• 4.2.3 热解油的油质评价
• 4.2.4 热解液的热值
• 4.3 污泥热解固态产物特性
• 4.3.1 固态产物的物理特性
• 4.3.2 固体半焦的燃烧特性
• 4.3.3 固体半焦的吸附特性
• 4.4 污泥热解气体产物的特性
• 4.4.1 热解气体成分分析
• 4.4.2 热解气体的热值
• 4.5 本章小结
• 第五章 生物污泥热解动力学及其热解机理研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 实验装置及设备
• 5.2.2 实验物料
• 5.2.3 实验步骤
• 5.3 污泥热解失重特性
• 5.3.1 污泥的热失重分析——TG 曲线
• 5.3.2 污泥热解差热分析——DTA 曲线
• 5.3.3 污泥热解失重速率变化——DTG 曲线
• 5.4 污泥热解表观动力学研究
• 5.4.1 表观动力学反应方程式
• 5.4.2 热解反应动力学参数的求解
• 5.5 污泥热解过程反应机理探讨
• 5.5.1 污泥热解反应动力学过程
• 5.5.2 污泥热解反应机理
• 5.5.3 污泥热解过程的影响因素
• 5.6 本章小结
• 第六章 污泥热解资源化处理工艺能量平衡
• 6.1 引言
• 6.2 评价体系和平衡模型
• 6.2.1 热解过程能量消耗
• 6.2.2 污泥热解过程回收的能量
• 6.2.3 污泥热解能源回收率及能耗比
• 6.2.4 污泥热解工艺方案初步设计
• 6.2.5 污泥热解工艺经济性浅析
• 6.4 本章小结
• 第七章 全文结论
• 7.1 主要研究结论
• 7.2 今后工作的展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表论文和参加科研情况
• 致谢