【摘 要】
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工业污泥可通过热解技术快速转化为热解气、油及污泥炭等产品,实现资源化利用。然而,污泥含水率高、热值低、重金属含量高导致热解过程耗能高、反应特性差和产物品质低等问题。添加生物质进行共热解可为热解反应提供能量、固化重金属以及提高产物品质,具有良好的应用前景。本文从工业污泥与生物质共热解制炭及其对重金属固化特性出发,首先研究了共热解成炭特性和反应协同耦合机制,其次研究了共热解过程中重金属迁移与转化规律,
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工业污泥可通过热解技术快速转化为热解气、油及污泥炭等产品,实现资源化利用。然而,污泥含水率高、热值低、重金属含量高导致热解过程耗能高、反应特性差和产物品质低等问题。添加生物质进行共热解可为热解反应提供能量、固化重金属以及提高产物品质,具有良好的应用前景。本文从工业污泥与生物质共热解制炭及其对重金属固化特性出发,首先研究了共热解成炭特性和反应协同耦合机制,其次研究了共热解过程中重金属迁移与转化规律,最后对共热解工艺进行了优化,并对反应能耗和热解炭中重金属风险进行了评估。工业污泥与生物质或其主要组分的共热解制炭研究。通过热重实验研究了共热解协同耦合特性和反应动力学,通过固定床考察了不同组分、不同反应条件下的共热解规律,从共热解炭表面官能团和孔隙结构演变两个层面研究成炭特性。结果表明,相比于污泥单独热解,纤维素组分的加入有利于提高成炭聚合度和骨架强度、增加表面官能团的种类和含量;与木质素共热解可使平均活化能从污泥单独热解时的27.34 k J/mol降低至16.79 k J/mol;添加稻秆共热解时协同效应明显,相比于两种原料单独热解复合计算值,共热解的第二个分解阶段从405°C-470℃延长至400°C-550℃,最大失重率增加29.51%。温度为500°C时,稻秆共热解炭的O-H键、C-H键及C=O键等官能团与纯污泥炭相比显著增加,且出现较多新官能团,比表面积从54.3m2/g提升至110.1m2/g。共热解炭重金属固化特性和机理研究。对比了在添加不同生物质组分、不同共热解温度、掺混比例、接触方式等条件下制取的共热解炭中重金属的固化效果,通过BCR顺序提取实验和浸出实验,从总量变化、赋存形态转化与浸出特性等角度研究了重金属的固化特性及机理。结果表明,随生物质掺混比例的增加和混合程度提高,重金属的F1酸可交换态大量转化为F3可氧化态和F4残渣态,固化效果逐渐提升。在生物质和污泥掺混质量比为2:1时,稻秆共热解炭对Cu的固化效果比纯污泥炭提升36%。随温度升高,重金属的浸出率先减小后升高,在500°C时,稻秆共热解炭中重金属浸出率达到最低,Cd和Cr的浸出率分别为纯污泥炭的38.22%和39.54%。工业污泥与生物质共热解制炭工艺优化研究。研究了共热解温度、生物质掺混比和升温速率三个工艺条件对共热解炭重金属综合风险指数的影响机制,通过响应曲面法建立二次回归模型,优化了共热解制炭工艺条件,基于该工艺条件进行了共热解制炭的能耗和重金属风险评估。结果表明,共热解温度为549.61°C、生物质和污泥掺混质量比为1.8:1、升温速率为15°C/min是制取低重金属风险共热解炭的最佳工艺条件。采用最优工况制取的共热解炭的重金属综合风险指数仅为33.35,重金属对环境的危害和潜在风险较低。工业污泥与生物质在最优工况下共热解时,共热解油、气产物中所含有的热值总和大于干燥和共热解过程的总耗能,反应系统总能差为3651k J/kg,能够实现自热运行,另外,获得重金属含量较低的热解炭,具有显著的经济收益。
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