微波辅助热解污泥机理与试验研究

发布时间：2020-10-28 11:35

　　 微波辅助热解污泥可使污泥中的有机物发生化学裂解,生成生物油、合成气和炭基吸附剂,有利于污泥的资源化利用,并且污染物排放可有效控制。本研究构建了一套5 kg处理能力的干化污泥微波装置。基于此装置,开展了试验研究与分析,着重分析了微波辐照条件(如微波加热功率、微波加热时间以及最终加热温度)和催化剂的应用对产物产量和质量的影响,并探讨了微波辅助热解污泥的反应机理。 微波辐照条件对热解污泥过程分析发现,微波加热功率和最终加热温度是影响微波升温过程的关键因素。微波辅助热解污泥制备生物油主要在150-400°C加热温度区域生成,生物油产率最高的温度范围为250-300°C。合成气产率最大化发生在250°C-320°C,产率在320°C以后开始下降。炭基吸附剂的最佳炭化温度约为600°C,当最终炭化温度达到700°C,会引起剧烈裂解反应,从而引起炭产量和质量的下降。总的来说,微波加热功率的增加有利于生物油和合成气质量的提高。 催化剂对微波辅助热解污泥实验研究表明,除催化剂FeSO4和ZnCl2的添加能提高合成气的产率外,其他催化剂的添加均降低了生物油、合成气和炭基吸附剂的产率。催化剂的添加对生物油、合成气和炭基吸附剂的质量均有显著性影响。对生物油而言,依据制备的生物油的卡路里值、密度、粘度和C含量分析,催化剂KOH、H2SO4、H3BO3和FeSO4的添加显著提高了生物油的质量,催化剂ZnCl2降低了生物油的质量。对合成气而言,污泥经酸化处理(添加H3PO4和H3BO3)明显降低了CO和CO2的生成,但增加了H2的生成量。对炭基吸附剂而言,催化剂的添加可促进生成炭基吸附剂的孔结构发育。 考虑到污泥热解过程及影响其过程因素的多种复杂性,分别运用三种统计推断方法(即神经网络、支持向量机、逐步聚类回归)建立基于统计的动力学预测模型,以实现在不同工况条件下分别对温度升高和产油过程的预报。研究结果表明,发现预测效果最好的为支持向量机预测模型,其预测精度的R2值达0.8以上,可以较好地用于污泥热解过程分析,从而实现对温度和产油速率变化的预报。 微波辅助热解污泥产物质量分配评估得出,炭基吸附剂、生物油和合成气质量分别占污泥原质量的65.0–68.9%、10.1–15.3%和11.8–13.4%。微波辅助热解污泥产物能量分配评估显示,每公斤污泥微波辅助热解产生的炭基吸附剂、生物油和合成气的热值分别为5.21–6.71 MJ、3.70–5.34 MJ和1.35–1.60 MJ。催化剂的添加增加了炭基吸附剂的能量储存,但降低了生物油的能量贮存。
【学位单位】：天津大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2012
【中图分类】：X703
【部分图文】：

1.1.5 污泥中的水分污泥的含水率约为96%~98%，体积很大。污泥中水的成分呈现混合状态，包括间隙水、毛细结合水、表面吸附水、内部结合水等。污泥中水分组成如图1-1所示。

1）微波加热效应据对微波接受能力不同，可将物质分为微波导体、微波绝缘体和微般情况下，由非极性分子组成的物质如聚氟乙烯、聚丙烯等塑料制瓷等，它们能透过微波而不吸收微波，为微波导体，这类材料可作的容器或支承物，或做微波密封材料；对于金属物质，微波不能透射，为微波绝热体；由极性分子组成的物质如水等，既能透过微波，为微波吸收体，见图 1-6。水分子的两个 H-O 键的健角为 104°型构造使其分子内正负极分离形成偶极矩，又因水分子的极化驰豫期相近，因此水分子偶极矩在微波场内能轻松地从原来的热运动状微波电磁场的高频交变而作高频交替的排列取向运动（如在 2450用下，水分子会以近 24.5 亿次/s 的频率作高频取向运动），水分的磨擦、碰撞而发生能量转换、传递，微波能迅速转化为水分子水对微波良好的吸收效应。

21图 1-7 纤维素热解机制（DP 为裂解产物聚合度的指示）Diebold[65]将纤维素的热解步骤总结为:：纤维素首先生成活化纤维素（Acllulose），活化纤维素通过三个平行步骤形成焦炭、主要挥发物（生物油）级挥发物（合成气成分），具体如图 1-8 所示。
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本文编号：2860036