污水污泥熱解制取富氫燃?xì)鈱嶒灱皺C(jī)理研究.pdf

1、隨著城市污水處理量的增加和水處理程度的深化，污泥產(chǎn)量大幅提高，而環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的日益嚴(yán)格，更加劇了污泥處置問題的嚴(yán)峻性。與此同時，污泥作為一種生物質(zhì)資源，其有機(jī)物含量和熱值的日漸增高也使其具備很高的能源利用價值。熱解法作為最具前景的污泥資源化技術(shù)之一，因其經(jīng)濟(jì)性好、二次污染小及能量回收率高等優(yōu)點在世界范圍內(nèi)引起了廣泛關(guān)注。污泥含水率對熱解的影響十分重要，一方面含水率的增加提高了原料預(yù)干燥過程的能耗，增加了熱解成本；另一方面，熱解過程中水分的參

2、與有利于提高氣體產(chǎn)率，促進(jìn)富氫燃?xì)獾纳伞１疚膹慕?jīng)濟(jì)性和實用性的角度出發(fā)，對濕污泥在高溫下一次性完成干燥、熱解和氣化的熱化學(xué)反應(yīng)過程及其產(chǎn)物特性展開系統(tǒng)研究，主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下：
　　 采用管式爐熱解裝置，研究了加熱模式、熱解終溫、含水率及升溫速率對污泥熱解產(chǎn)物產(chǎn)率及氣體產(chǎn)物特性的影響規(guī)律，結(jié)果表明，污泥熱解所得氣體產(chǎn)物主要包括H2、CO、CO2、CH4和少量的C2H2、C2H4、C2H6、C3H6及C3H8。待溫度達(dá)到設(shè)定

3、溫度后，再將物料迅速送入反應(yīng)區(qū)的加熱模式有利于得到高品質(zhì)的富氫燃?xì)?；高溫能減少固體碳和焦油的產(chǎn)量，并生成大量H2和CO等小分子氣體；含水率的提高促進(jìn)了熱解初期產(chǎn)物的蒸汽重整反應(yīng)和殘?zhí)康臍饣磻?yīng)，有利于氫氣組分和其他可燃?xì)怏w的生成，所得氣體熱值高達(dá)12MJ·m-3以上；此外，提高升溫速率可使污泥在較短時間內(nèi)達(dá)到設(shè)定溫度，延長了揮發(fā)分在高溫環(huán)境下的停留時間，提高了氣體產(chǎn)率，降低了焦油和殘?zhí)康漠a(chǎn)率。
　　 在不同升溫速率下利用熱重-差

4、熱(TG-DTA)綜合熱分析儀對干燥污泥和含水率為84％的濕污泥的熱解動力學(xué)特性進(jìn)行了對比分析。結(jié)果表明干燥污泥的TG曲線有一個明顯的失重段，其熱解過程可大致分為脫水、熱解主體階段及炭化階段；濕污泥的TG曲線則出現(xiàn)了兩個明顯失重區(qū)間，可據(jù)此將其熱解過程分為脫水、熱解初期階段、熱解主體階段及炭化階段；升溫速率對濕污泥的影響遠(yuǎn)大于干燥污泥，高升溫速率可在一定程度上促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn)行，有利于提高污泥有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化率。研究根據(jù)Coats-Redfer

5、n法，采用11種常見機(jī)理函數(shù)對不同升溫速率下干、濕污泥的熱解主體階段進(jìn)行線性模擬，并結(jié)合Malek法篩選出最為合理的機(jī)理方程，求解其表觀動力學(xué)參數(shù)，并建立動力學(xué)方程。在保證熱解充分進(jìn)行的條件下，升溫速率對于干燥污泥熱解主體階段的活化能影響不大，但濕污泥在該階段的活化能則隨著升溫速率的提高而增加；同一升溫速率下，濕污泥熱解主體階段的活化能大于干燥污泥。利用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀和傅里葉紅外光譜儀等檢測設(shè)備，研究了不同含水率污泥在不同溫度下熱

6、解所得主要產(chǎn)物的分布和組成，探討了溫度和含水率對熱解產(chǎn)物特性的影響規(guī)律，進(jìn)而對產(chǎn)物的形成途徑及熱解機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)分析。結(jié)果表明，水蒸氣在大分子有機(jī)化合物的裂解過程中起著至關(guān)重要的作用，水分的參與促進(jìn)了有機(jī)質(zhì)蒸汽重整反應(yīng)的發(fā)生，有利于CO和H2等氣體的生成，在減少有毒物質(zhì)和結(jié)焦現(xiàn)象產(chǎn)生的同時，提高了富氫燃?xì)獾漠a(chǎn)量；另外，水蒸氣還促進(jìn)了揮發(fā)份的析出，使殘?zhí)恐械挠袡C(jī)質(zhì)含量大幅減少，熱解更加完全。當(dāng)濕污泥被送入熱解爐時，水分迅速脫除形成高溫水蒸

7、氣，同時揮發(fā)份析出，一部分熱解初期產(chǎn)物和焦炭會與高溫水蒸氣發(fā)生蒸汽重整反應(yīng)和氣化反應(yīng)，生成H2、CH4、CO2和CO等氣體；隨著溫度繼續(xù)升高，大分子有機(jī)物發(fā)生二次裂解，生成大量H2、CO和C2、C3等小分子氣體，還有一部分有機(jī)質(zhì)通過縮合、環(huán)化、芳香化反應(yīng)，形成大分子PAHs，同時產(chǎn)生大量H2，因此H2的大幅增長標(biāo)志著焦油二次反應(yīng)的發(fā)生。此外，PAHs的形成過程可用Diels-Alder反應(yīng)機(jī)理解釋。
　　 對1000℃下干燥污泥

8、和含水率為84％的濕污泥的熱解過程進(jìn)行了質(zhì)量和能量衡算分析，通過干、濕污泥熱解系統(tǒng)建立的質(zhì)量平衡誤差分別在1.0％和6.4％左右；濕污泥的熱解反應(yīng)熱Qp 遠(yuǎn)高于干燥污泥，但其中有超過70％的能量被用于水分蒸發(fā)和水蒸氣的升溫，實際熱裂解工藝熱Qpyrolysis 則明顯低于干燥污泥；熱解過程可回收大量高品質(zhì)的富氫燃?xì)狻⒔褂图肮腆w殘?zhí)?，其中熱解氣不但可直接用于熱解系統(tǒng)的供熱，還可作為管道煤氣或化工原料，焦油也可在回收加工后當(dāng)做石油的替代燃料

9、，固體殘?zhí)縿t可作為建筑材料；煙氣余熱的回收利用對濕污泥熱解制氣技術(shù)的推廣具有十分重要的作用。
　　 從拓展?jié)裎勰酂峤庑问?，提高產(chǎn)品附加值，降低熱解成本的角度出發(fā)，研究了干、濕污泥和秸稈的摻混比例對共熱解產(chǎn)物分布、熱解氣組成、熱值及氣體能量轉(zhuǎn)化率的影響，結(jié)果表明隨著污泥摻混比例的提高，共熱解產(chǎn)生的氣體和焦油的產(chǎn)率減少，固體殘?zhí)慨a(chǎn)率顯著增加，相同的摻混比例下，濕污泥/秸稈共熱解的氣體產(chǎn)率均大于干燥污泥/秸稈共熱解的氣體產(chǎn)率，這是由于