城市污水污泥熱解試驗與模型研究.pdf

1、污泥是城市污水處理廠的主要副產(chǎn)物之一，隨著城市化的發(fā)展和環(huán)保要求的提高，污泥的產(chǎn)量急劇增加。如何處置日益增長的污泥以盡量消除其所產(chǎn)生的危害是人類面臨的嚴峻挑戰(zhàn)之一。熱解因其經(jīng)濟性好、二次污染小、熱解產(chǎn)物利用價值高等優(yōu)點而被認為是實現(xiàn)污泥減量化、穩(wěn)定化、無害化和資源化目標的極具潛力的熱化學(xué)處理技術(shù)之一。本文依托華中科技大學(xué)煤燃燒國家重點實驗室和新加坡南洋理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)工程研究院的國際合作項目“城市污水污泥的資源化利用”對香港城市污水污泥

2、的熱解特性展開了全面的研究，所做的工作主要有以下幾個方面： 利用熱重分析儀(TG)對一種初沉污泥和兩種剩余污泥的熱解特性進行了系統(tǒng)研究，對比分析了污泥在熱失重曲線中體現(xiàn)出的不同規(guī)律，并利用Coats-Redfern積分法分別計算了各自的動力學(xué)參數(shù)；研究了樣品量、樣品粒徑和升溫速率對污泥熱解特性的影響；采用熱重與紅外聯(lián)用的方法，對熱解氣進行了連續(xù)掃描分析；鑒于污泥具有灰含量高的特點，研究了無機礦物質(zhì)(Al2O3、CaO、Fe2O

3、3、TiO2和ZnO)對污泥熱解的影響，發(fā)現(xiàn)TiO2對熱解起促進作用，CaO、Fe2O3和ZnO的抑制作用占主導(dǎo)，Al2O3對熱解的影響較小，脫除礦物質(zhì)灰分有益于污泥的熱解。 采用固定床熱解裝置對污泥進行熱解實驗，結(jié)合氣相色譜儀、色譜質(zhì)譜聯(lián)用分析儀、掃描電鏡和比表面積及孔徑分析儀等分析技術(shù)對熱解產(chǎn)物特性進行了詳細研究。結(jié)果表明，隨著熱解溫度的提高，焦炭的產(chǎn)率下降，熱解氣的產(chǎn)率增加，生物油產(chǎn)率在600℃時有最大值。隨著溫度的提高

4、，焦炭的揮發(fā)分含量降低，灰分含量升高，熱值降低；利用掃描電鏡和比表面積及孔徑分析儀分析發(fā)現(xiàn)焦炭存在較連續(xù)、完整的孔系統(tǒng)，而且孔隙結(jié)構(gòu)隨著熱解溫度的提高而變得發(fā)達，表面分形維數(shù)增加，焦炭的表面變得更加粗糙和不規(guī)則，比表面積和總孔容積增大，有助于污泥的熱解。隨著熱解溫度的升高，生物油中含氧化合物組分減少，芳香化合物的組分增加，熱解溫度的升高促進了化學(xué)鍵的斷裂，形成更多的H2和CO等。三種污泥在600℃時熱解生物油的組分主要含有乙酸、異亞丙基

5、丙酮、二丙酮醇和苯酚等。熱解氣主要以CO、CO2、H2和CH4為主，還有少量的C2H4和C2H6等。隨著熱解溫度的升高，CO2的產(chǎn)量逐漸減少，H2和CO的產(chǎn)量增加，CH4產(chǎn)量增加不明顯。熱解氣的熱值隨溫度的升高而增加，900℃時，初沉污泥的熱值達到約14MJ/Nm3，而剩余污泥的熱值分別約為10MJ/Nm3和7MJ/Nm3。三種污泥的最佳熱解溫度分別為900℃、800℃和600℃，此時可以得到利用價值較高的熱解產(chǎn)物。全面分析熱解產(chǎn)物的特

6、性，對深入了解污泥的熱解機理和熱解產(chǎn)物的資源化利用具有重要的現(xiàn)實意義。 污泥資源化利用的瓶頸之一是二次污染問題，而硫化氫（H2S）和重金屬的排放受到研究者的廣泛關(guān)注。本文重點對污泥熱解過程中H2S和重金屬的釋放特性進行了研究，同時對熱解焦炭中重金屬的浸出特性進行了分析。隨著熱解溫度的提高，H2S的析出呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，在350℃左右達到最大值，H2S的釋放特性與硫元素在污泥中的存在形態(tài)密切相關(guān)。污泥在熱解過程中，除大部分

7、Cr和Co釋放到氣相中外，其他重金屬(Cu、Mn、Ni、V和Zn等)主要被固定在焦炭中。通過模擬不同的浸出條件，發(fā)現(xiàn)pH在5～9之間時，同一種金屬在不同污泥中的浸出特性不同，不同重金屬的同一污泥中的浸出規(guī)律也不同，但是重金屬總的浸出量和浸出率都比較低。 為對污泥的熱解進行深層次的了解，分別采用動力學(xué)模型和熱力學(xué)平衡模型對污泥熱解的動力學(xué)特性和氣體產(chǎn)物的分布特性進行了模擬，并與實驗結(jié)果進行了對比，模擬結(jié)果與實驗結(jié)果吻合良好，為工程