基于高溫木炭床的污泥催化熱解技術(shù)研究.pdf

1、城市污水污泥是污水處理廠處理污水的副產(chǎn)物，因?yàn)槌鞘幸?guī)模的擴(kuò)大和人口的增長，污泥產(chǎn)量急劇增加，隨著環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)格，污泥農(nóng)用、填埋和焚燒受到越來越多的限制。污泥作為一種生物質(zhì)資源，富含有機(jī)物質(zhì)，可以通過熱解技術(shù)轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)能源化利用且減少二次污染的產(chǎn)生。焦油和生物質(zhì)炭都是污泥熱解的副產(chǎn)物，焦油阻礙了污泥熱解技術(shù)的發(fā)展，生物質(zhì)炭富含多孔結(jié)構(gòu)，是一種優(yōu)良的催化劑和催化劑載體，具有價(jià)格低廉、容易獲得、容易處理、不易失活等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)焦油具有良好的催化轉(zhuǎn)化

2、效果。本文在自行搭建的二級(jí)固定床熱解裝置中，探究不同生物質(zhì)原料熱解獲得的生物質(zhì)炭（楊木炭、杏仁殼炭和污泥炭）以及分別負(fù)載了金屬離子(Hi和Fe)的生物質(zhì)炭（Ni+楊木炭、Ni+杏仁殼炭、Ni+污泥炭、Fe+楊木炭、Fe+杏仁殼炭和Fe+污泥炭)對(duì)污泥焦油的催化效果，揭示炭基催化劑的催化機(jī)理。
　　(1)利用熱重技術(shù)研究了污泥的熱解和燃燒過程，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，污泥在不同氣氛中反應(yīng)過程不同，在空氣氣氛下發(fā)生燃燒反應(yīng)，反應(yīng)溫度范圍為170～6

3、50℃;在N2氣氛下發(fā)生熱解反應(yīng)，熱解溫度范圍為140～900℃。污泥熱解的最大失重速率大于燃燒的最大失重速率。污泥的熱解過程分為3個(gè)階段。升溫速率對(duì)熱解失重率的影響較小。污泥的熱解反應(yīng)為一級(jí)反應(yīng)，活化能在25.77～29.21kJ·mol-1之間，隨著升溫速率的增大而逐漸增大。
　　(2)使用單級(jí)熱解反應(yīng)裝置對(duì)污泥的熱解特性進(jìn)行探究，結(jié)果表明，隨著熱解終溫升高，固體產(chǎn)物產(chǎn)率降低，熱解氣體產(chǎn)物產(chǎn)率升高，熱解液體產(chǎn)物產(chǎn)率先降低后升高

4、。高溫有利于生成H2和CO等氣體;高溫促進(jìn)了熱解液向具有焦油特性的更為穩(wěn)定、環(huán)數(shù)較多大分子PAHs的轉(zhuǎn)變。本污泥熱解實(shí)驗(yàn)以產(chǎn)氣為目的，故熱解終溫設(shè)置為800℃，工程經(jīng)濟(jì)方面較為合理。
　　(3)利用二級(jí)熱解反應(yīng)裝置研究了不同生物質(zhì)原料熱解獲得的生物質(zhì)炭（楊木炭、杏仁殼炭和污泥炭）以及分別負(fù)載了金屬離子(Ni和Fe)的生物質(zhì)炭（Ni+楊木炭、Ni+杏仁殼炭、Ni+污泥炭、Fe+楊木炭、Fe+杏仁殼炭和Fe+污泥炭）對(duì)焦油轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)氣

5、性能和氣體成分的影響，發(fā)現(xiàn)污泥炭的催化活性好于楊木炭和杏仁殼炭，經(jīng)過金屬浸漬的生物質(zhì)炭分別好于其單純生物質(zhì)炭，經(jīng)過硝酸鎳浸漬的生物質(zhì)炭催化活性高于硝酸鐵浸漬的生物質(zhì)炭。焦油經(jīng)過污泥炭床和浸漬污泥炭床催化分解后，芳香烴化合物含量減少，脂肪族化合物含量增加，雜環(huán)化合物含量呈減少趨勢(shì)，降低了焦油的含氧量、氮含量和含硫雜環(huán)化合物含量。Ni+污泥炭對(duì)污泥焦油的轉(zhuǎn)化率最高，產(chǎn)氣性能最好，在催化溫度為900℃，停留時(shí)間為5.63s時(shí)焦油轉(zhuǎn)化率達(dá)到98

6、.46％，產(chǎn)氣量達(dá)到940m3/噸原料。
　　(4)采用BET、XRD、拉曼、TG-FTIR等分析手段對(duì)不同生物質(zhì)原料熱解獲得的生物質(zhì)炭（楊木炭、杏仁殼炭和污泥炭）以及分別負(fù)載了金屬離子(Ni和Fe)的生物質(zhì)炭（Ni+楊木炭、Ni+杏仁殼炭、Ni+污泥炭、Fe+楊木炭、Fe+杏仁殼炭和Fe+污泥炭）的結(jié)構(gòu)進(jìn)行解析與表征，結(jié)果發(fā)現(xiàn):污泥炭中存在介孔結(jié)構(gòu)，楊木炭和杏仁殼炭中存在大孔和介孔結(jié)構(gòu)，與污泥炭相比，氣體與吸附物質(zhì)作用較弱。三種

7、生物質(zhì)炭的比表面積的大小順序?yàn)?污泥炭＞楊木炭＞杏仁殼炭。污泥炭比其他兩種生物質(zhì)炭擁有更為豐富的堿金屬含量，污泥炭固化了大部分的重金屬元素。由于污泥炭的比表面積大于楊木炭和杏仁殼炭，污泥炭比其它兩種生物質(zhì)更容易負(fù)載Ni和Fe離子。經(jīng)過硝酸鎳浸漬后，起催化作用的是金屬鎳，而不是氧化鎳;經(jīng)過硝酸鐵浸漬后，起催化作用的是Fe2O3。由于Ni+污泥炭中含有大量具有催化作用的金屬元素，比表面積大，含有更多的無定形碳結(jié)構(gòu)，使其比其它兩種生物炭擁有更