ZSM-5分子筛催化热解城市污泥过程中氮迁移规律的研究

发布时间：2020-04-07 18:03

【摘要】：含氮量高是制约污泥合理资源化可持续利用的重要因素。催化热解是污泥脱氮提质清洁利用的有效途径之一。本文使用下坠式固定床反应器对污泥热解挥发分进行原位催化重整,脱除污泥热解挥发分中有机氮的同时制备轻质芳烃类化合物,实现污泥的清洁资源化高附加值转化利用。研究了污泥非催化热解中热解温度和反应气氛对产物分布和氮转化途径的影响,在充分理解污泥非催化热解氮转移机制的基础上,重点考察分子筛(ZSM-5,Si/Al=25/50/80)催化条件下热解温度对污泥热解过程中产物分布和氮迁移规律的影响。选择不同化学结构的氨基酸作为污泥模型化合物进行催化热解实验,考察芳烃生成机理和有机氮的释放规律,深入探讨污泥催化热解机理和氮转化规律,为污泥的清洁资源化可持续再利用提供理论依据和技术支持。研究表明:污泥非催化热解中,与惰性气氛(Ar)相比,还原气氛(H_2)有利于气体产物的生成,抑制焦油的生成。还原气氛促进了焦炭氮的热分解,获得了较低的焦炭氮产率。温度的升高促进了含氮气体的释放,在所有条件下,HCN产量都很低,更多的N以NH_3的形式释放。还原气氛促进了污泥中含氮化合物的热分解,生成更多的酰胺类、氰类和含氮杂环化合物。当温度高于500 ~oC,H_2有利于促进含氮化合物向NH_3的转化。还原性气氛和高温的协同效应有利于诸如哌啶、吡咯和吡啶等难裂解的含氮杂环的热分解,生成更多的NH_3和HCN,同时促进HCN向NH_3的转化。污泥热解挥发分经ZSM-5分子筛催化重整后,促进了挥发分氮的脱除,转化为NH_3、HCN和部分积碳氮,并获得了大量的芳烃和烯烃。ZSM-5硅铝比越小(酸性越强)脱氮效果越明显,轻质芳烃产率越大。随着温度的升高,芳烃碳产率先增加后降低,在500 ~oC下硅铝比为25的ZSM-5分子筛所得轻质芳烃收率最高(碳产率16.4%)。ZSM-5分子筛有利于促进苯和甲苯的生成,并对简单烷基侧链的芳烃具有较高的选择性。对比氨基酸的催化热解表明:污泥中具有芳环或饱和烃侧链的氨基酸(苯丙氨酸和亮氨酸)有利于形成芳烃和NH_3;含N杂环结构的氨基酸(脯氨酸)促进了含氮杂环化合物的生成,且易导致催化剂结焦,抑制催化裂解生成更多的芳烃和NH_3;短链二元酸天冬氨酸具有稳定的结构难于完全分解。
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热解工艺,污泥

图 1-1 污泥热解工艺图Figure 1-1 Schematic diagram of pyrolysis process of SS污泥热解处理技术的潜力大，通过热解处理可以脱去污泥中的水分，达到减量化的效果，同时杀灭病毒和病原体等有害微生物[39]，并且将污泥中的有彻底分解转化为液体燃料和高附加值的化工产品。此外，热解处理后污泥本有的大量的重金属元素浓缩在固体残渣中，与污泥焚灰相比，这些金属与残结合更加紧密，也更难浸出，从而为热解残焦的后续利用提供了更多的便利能[40,41]。因此，污泥热解技术被认为是一种最具潜力的污泥安全资源化的技段。.3 热解中氮迁移研究现状（ Present Research on Nitrogonversion by Pyrolysis）热解技术虽然能够有效地转化有机质组分，得到热值较高的燃料油或燃料，但由于污泥中有机物含有较高量的氮元素，易在热解过程中会转化 NOx的体化合物，对污泥热解产物的清洁利用产生一定的影响。为了实现污泥热解

骨架结构

硕士学位论文1.5 分子筛（Zeolite）分子筛是由硅氧四面体或铝氧四面体通过氧桥键相连，而形成的分子尺寸大小的孔道和空腔体系，是一种能够在分子水平上筛分物质的多孔材料。分子筛催化剂不但具有很强的表面酸性，使其具有断键、脱氧、脱氮和芳构化的作用，并且其还具备独特的规则孔结构，同时又能满足择形催化的要求，，受到了生物质催化裂解研究领域的广泛关注[20,21,24,55]。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X703;O643.32

【参考文献】