基于高温木炭床的污泥催化热解技术研究
城市污水污泥是污水处理厂处理污水的副产物，因为城市规模的扩大和人口的增长，污泥产量急剧增加，随着环境标准的严格，污泥农用、填埋和焚烧受到越来越多的限制。污泥作为一种生物质资源，富含有机物质，可以通过热解技术转化实现能源化利用且减少二次污染的产生。焦油和生物质炭都是污泥热解的副产物，焦油阻碍了污泥热解技术的发展，生物质炭富含多孔结构，是一种优良的催化剂和催化剂载体，具有价格低廉、容易获得、容易处理、不易失活等优点，对焦油具有良好的催化转化效果。本文在自行搭建的二级固定床热解装置中，探究不同生物质原料热解获得的生物质炭（杨木炭、杏仁壳炭和污泥炭）以及分别负载了金属离子(Hi和Fe)的生物质炭（Ni+杨木炭、Ni+杏仁壳炭、Ni+污泥炭、Fe+杨木炭、Fe+杏仁壳炭和Fe+污泥炭)对污泥焦油的催化效果，揭示炭基催化剂的催化机理。 (1)利用热重技术研究了污泥的热解和燃烧过程，结果发现，污泥在不同气氛中反应过程不同，在空气气氛下发生燃烧反应，反应温度范围为170～650℃;在N2气氛下发生热解反应，热解温度范围为140～900℃。污泥热解的最大失重速率大于燃烧的最大失重速率。污泥的热解过程分为3个阶段。升温速率对热解失重率的影响较小。污泥的热解反应为一级反应，活化能在25.77～29.21kJ·mol-1之间，随着升温速率的增大而逐渐增大。 (2)使用单级热解反应装置对污泥的热解特性进行探究，结果表明，随着热解终温升高，固体产物产率降低，热解气体产物产率升高，热解液体产物产率先降低后升高。高温有利于生成H2和CO等气体;高温促进了热解液向具有焦油特性的更为稳定、环数较多大分子PAHs的转变。本污泥热解实验以产气为目的，故热解终温设置为800℃，工程经济方面较为合理。 (3)利用二级热解反应装置研究了不同生物质原料热解获得的生物质炭（杨木炭、杏仁壳炭和污泥炭）以及分别负载了金属离子(Ni和Fe)的生物质炭（Ni+杨木炭、Ni+杏仁壳炭、Ni+污泥炭、Fe+杨木炭、Fe+杏仁壳炭和Fe+污泥炭）对焦油转化率、产气性能和气体成分的影响，发现污泥炭的催化活性好于杨木炭和杏仁壳炭，经过金属浸渍的生物质炭分别好于其单纯生物质炭，经过硝酸镍浸渍的生物质炭催化活性高于硝酸铁浸渍的生物质炭。焦油经过污泥炭床和浸渍污泥炭床催化分解后，芳香烃化合物含量减少，脂肪族化合物含量增加，杂环化合物含量呈减少趋势，降低了焦油的含氧量、氮含量和含硫杂环化合物含量。Ni+污泥炭对污泥焦油的转化率最高，产气性能最好，在催化温度为900℃，停留时间为5.63s时焦油转化率达到98.46％，产气量达到940m3/吨原料。 (4)采用BET、XRD、拉曼、TG-FTIR等分析手段对不同生物质原料热解获得的生物质炭（杨木炭、杏仁壳炭和污泥炭）以及分别负载了金属离子(Ni和Fe)的生物质炭（Ni+杨木炭、Ni+杏仁壳炭、Ni+污泥炭、Fe+杨木炭、Fe+杏仁壳炭和Fe+污泥炭）的结构进行解析与表征，结果发现:污泥炭中存在介孔结构，杨木炭和杏仁壳炭中存在大孔和介孔结构，与污泥炭相比，气体与吸附物质作用较弱。三种生物质炭的比表面积的大小顺序为:污泥炭＞杨木炭＞杏仁壳炭。污泥炭比其他两种生物质炭拥有更为丰富的碱金属含量，污泥炭固化了大部分的重金属元素。由于污泥炭的比表面积大于杨木炭和杏仁壳炭，污泥炭比其它两种生物质更容易负载Ni和Fe离子。经过硝酸镍浸渍后，起催化作用的是金属镍，而不是氧化镍;经过硝酸铁浸渍后，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属元素，比表面积大，含有更多的无定形碳结构，使其比其它两种生物炭拥有更好的焦油催化裂解效果，是一种具有潜力的优良催化剂。
污泥处理;催化热解技术;生物质炭;高温木炭床
北京化工大学
硕士
环境科学与工程
何艳峰
2017
中文
X703.1
117
2017-08-15（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）