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随着我国造纸工业的迅速发展,造纸废水处理量逐年提高,造纸污泥的产量也急剧增加。在污泥处理的众多方法中,污泥热解气化法越来越显示出其“减量化、无害化、资源化”的独特优势,能把低品位的造纸污泥转化为高品位气体燃料,但国内采用热解气化技术处置污泥的研究比较晚,尤其是废纸浆生产过程中废纸回收脱墨过程产生的脱墨污泥及其废水处理产生的废水污泥,也没有实际应用,适用于造纸污泥原料的热解气化技术报道较少。本文以广州造纸厂经过压滤机脱水后的脱墨污泥和废水污泥为研究对象对它们的热解及气化特性进行了实验研究。
本文研究了脱墨污泥及废水污泥的元素分析、工业分析等基础物性,分析结果表明:脱墨污泥及废水污泥具有高水分、高灰分和低热值的特点,其中废水污泥含水率及碳酸钙含量、灰分均比脱墨污泥的相应值高,表现出劣于脱墨污泥的燃料品质特性,对其热解气化特性进行了重点研究。
采用TG-DTG、TG-FTIR、TG-MS方法开展了废水污泥在N2、CO2、He气氛下的热解特性实验研究,同时还对污泥热解的表观动力学模型及动力学参数以及污泥在催化剂作用下的热解特性进行了研究。结果表明,污泥中矿物质的脱除促进有机物的分解。污泥在CO2气氛下热解气化主要产物有CO、CO2、H2、酮、羧酸、烯烃、芳香族化合物、烷烃、酯、醇、苯及苯的衍生物。污泥在氦气气氛下的热解主要经历三个失重阶段:温度在250-400℃时,污泥中的大部分纤维发生分解,产生CH4、CO2、CO以及C2H6;第二个失重阶段为400-600℃,主要是C6H6及C7H8等芳香族化合物的生成;第三个失重阶段发生在600-800℃,其中762℃时分解最大,产生CH4和较多的CO2及CO。
在管式炉装置上进行了废水污泥的热解实验。分析了温度、加热方式、原料的预处理及污泥和木粉的掺混比例对热解三相产物的影响。结果表明,污泥热解制备气体燃料最佳的反应条件为:温度800℃,快速热解。此时,气体得率为21.02%,气体产率为0.20 m3/kg,燃气热值为16.82 MJ/m3,热解焦油主要含苯及甲苯、乙苯、二甲苯等苯类物质。随着木粉掺混含量的增加,燃气热值升高,气体和焦油得率增加,焦油中苯类物质减少,醇和酯类物质的相对含量增加。
针对造纸污泥水分含量过高对热利用过程不利的影响,基于“污泥干燥→气化转化为可燃气体→燃烧→污泥干燥和对外供热”的污泥气化能量回收利用路线,在下吸式固定床气化炉上研究了两种污泥的气化能量利用特性。实验结果表明:气化处理脱墨污泥的效果较好,气化产生的燃气除提供干燥原料自身所需的热量外,还有约一半可作为燃料对外加以利用;废水污泥气化产生的燃气几乎需要全部燃烧用于干燥其自身的水分。针对高水分、高灰分、低热值的造纸污泥,可通过与低水分、低灰份、高热值的生物质混合成型以改善造纸污泥热利用过程中热值偏低的不足。