城市污泥热解过程中的热分析及热解气的净化

发布时间：2020-08-15 00:12

【摘要】：随着我国城市污泥产量的不断增加,国家对其环境标准也大幅提高,使得城市污泥的处理处置问题日益严峻。污泥热解技术具有能源利用率高、固化重金属、不产生二VA英、产物热值高等优点,近年来受到国内外研究人员的青睐。本课题为了解决经机械脱水后污泥泥饼的资源化处置难题,采用实验与模拟相结合的方法,对污泥热解动力学、产物特性、热解机理、传热传质特性、能量平衡与碳排放及含尘热解气体的净化进行了系统性研究。(1)采用气氛管式炉对机械脱水后泥饼进行了热解实验研究,分析了相关工艺参数对热解特性的影响,并对热解产物进行了表征与讨论。污泥热解主要为酚类、酮类、脂肪族等有机物的分解;以制气为主的热解温度宜为800℃以上,污泥粒径不宜超过10 mm,含水率以20%左右最佳;污泥高温热解气中可燃成分(H_2、CH_4、CO、C_2H_4等)总量超过60%;热解油成分复杂且含有多环芳烃(PAHs);添加Fe_2O_3在促进气体产量的同时会使热解油中PAHs含量增大,但对可燃性气体含量无明显促进作用。(2)采用热重分析仪对污泥、锯末及其混合物热重特性进行了实验研究,基于Coats-Redfern法、Flynn-Wall-Ozawa法、Kissinger-Akahira-Sunose法与双外推法对其热解动力学和最概然机理函数进行了分析。污泥中锯末的添加使样本挥发分析出特性增强;添加少量锯末时,二者有一定协同作用,随添加比例增大,协同效应减弱消失并转化为抑制效应;采用高阶反应级数的Nucleation-Growth模型能够较好地描述样本热解过程;不同升温速率时的表观活化能与频率因子间存在动力学补偿效应。(3)在考虑锯末与含水率的条件下,耦合热动力学方程与质能方程对污泥热解过程传热模型进行了建模、求解与验证。模型结果与实验结果吻合较好,对10mm以内样本有较高的精确度;热解温度升高会使升温与失重速率增大且峰值均有所提前;而样本粒径的减小则使最大失重速率降低并出现延迟;含水率增大会急剧延长热解时间,使内部温度梯度增大,最大失重速率降低。(4)改进了湿污泥脱水—自然干化—热干化—热解—能量回收的工艺流程,对工艺的能量平衡与碳排放量进行了分析与计算。水分析出的显热要远大于产物显热,设备热利用率达为75%时,热解气产生的化学热可以维持热解所需最小能量;脱水干化和热解阶段碳排放总量分别为102.98 kg/t和168.47 kg/t湿污泥;热解阶段碳减排量为58.87 kg/t湿污泥。(5)对典型的污泥热解气与飞灰分别进行了冷态电晕放电实验与电除尘效率实验,并基于动网格技术对可能发生的泄爆过程进行了瞬态仿真。污泥热解气可以建立稳定电晕,H_2和CH_4含量的升高会使电晕电流增大,工作电压区间缩短;热解飞灰使用一级干法电除尘净化时收尘效率超过95%;泄爆时间基本随内部压力线性增长,但阀盖行程增大使泄爆时间呈非线性降低;介质温度的降低会使得泄爆时间显著延长。热解技术可以高效地实现污泥的资源化利用,而热解传热模型、工艺分析以及热解除尘工艺的研究可为热解设备及系统的设计提供理论基础。
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X703
【图文】：

文献数量,污泥

图 1-1 污泥热解研究文献数量统计Fig. 1-1 Quantity statistics of sludge pyrolysis以看到，自 2010 年后，有关于污泥热解的研究方分析、混合热解、各种元素迁移等等方面所发表的是近三年内，每年研究论文数量都在 400 篇左右。多国内外研究人员的青睐，已经成为环境、能源等领对污泥治理与资源化政策的推进，好氧发酵、热水人们所接受。但不同于发达国家国情，受雨水污水设背景与区域经济、人口、气候等方面的差异的影国污泥处理处置现状的需求，现阶段我国污泥处理局面[23]。除此之外，我国逐渐降低了对煤炭行业的的逐步减少使得可再生能源在未来都将是人们所关构预测，21 世纪以化石能源为主体的世界能源系统源系统[24]。

路线图,论文研究,路线,污泥

对脱水后污泥泥饼进行热解实验研究更具有工程实际意义。（3）大多数文献对污泥热解过程动力学研究都集中于简单机理函数模型，且反应级数选取不适当也得所求得的表观活化能值相差较大，对于最概然机理函数的推断也较少。（4）国外对于城市污泥热解过程中的传热模型研究很少，难以对污泥热解有更深层次的解。而现有关于生物质热解传热文献中，大多对于物性参数随热解过程的变化、应热和含水率等都没有进行深入分析。（5）缺乏对污泥脱水—干化—热解整体工流程能量平衡与碳排放的计算分析。（6）关于污泥热解的文献中大多集中于热解数和热解产物的分析，几乎没有文献对于污泥热解产生的含尘气体净化过程进行究。3.2 主要研究内容污泥热解作为机械脱水后泥饼的热化学处理方法，具有能源利用率高、固化重属、不产生二VA英、减容率高等优点，逐渐成为国内外的研究热点。本文将采用验与模拟相结合的方法对污泥热解、动力学、传热传质、能量平衡与碳排放及后热解气净化过程进行研究，研究技术路线图如 1-2 图所示。

机械压榨,污泥,元素分析,工业分析

燕山大学工学博士学位论文行机械脱水，装置示意简图如图 2-1 所示。由于理剂，既增大了脱水孔道，强化了脱水效果，量。机械压榨 30 min 后污泥样本的含水率可降温鼓风干燥箱内干燥 24 h，再经过破碎处理制备所析和元素分析如表 2-1 所示，表中 Mad，Vad，F水量、挥发分、固定碳和灰分。表 2-1 污泥与锯末的元素分析与工业分析rimary analysis and ultimate analysis of sewage sludge and 质量分数, %元素分析工业分析H O N S MadVadFCad4.26 19.08 4.01 1.58 5.21 60.38 4.96 6.81 43.35 0.32 0.11 3.05 78.62 17.01

【参考文献】