污泥催化热解制取烃类化合物及转化途径研究

摘要

作为污水处理过程中的伴生产物，污泥的产生随着污水处理工作的迅速发展而与日俱增。污泥中含有大量的有机成分，如不经妥善处理将会对生态环境构成潜在的危害。本文采用催化热解技术将污泥中的有机成分转化为烃类化合物，从而实现污泥的资源化利用。本课题在研究污泥热解特性的基础上，考察不同反应条件对污泥催化热解产物产率和烃类化合物选择性的影响规律，分析催化热解过程中的芳烯烷三烃转化途径，同时对比单独热解和催化热解过程中的氧、氮元素释放规律，探讨催化热解过程中的氧、氮元素脱除机制。污泥热解失重过程分为三个阶段，分别为室温到150?C、150?C到728?C和728?C到900C。挥发分主要在第二阶段逸出，Flynn–Wall–Ozawa法和Kissinger–Akahira–Sunose法均能较好地对失重曲线拟合，表观活化能与污泥转化率相关，拟合R2达到0.969以上。在污泥热解的过程中，表观活化能呈现低温段较低而高温段迅速上升的趋势，低于450C时污泥的热解表观活化能较低，挥发分大量释放，而高于750?C后表观活化能达到500kJmol-1以上，挥发分的释放基本完成。
　　本文在研究污泥热解特性的基础上，考察了不同催化热解条件下污泥催化热解的产物分布情况，结果表明：通过投加 ZSM-5分子筛催化剂能有效地利用污泥制取芳香烃、烯烃和烷烃。随着催化剂投加比和反应温度的提高，烃类化合物的产量相应增加，当反应温度为650?C、催化剂投加比为20:1时每100 g污泥可产生18.1 g烃类化合物；而随反应温度的升高，烃类化合物的选择性也发生相应变化：对于芳香烃来说，单环芳烃特别是苯的选择性随温度升高而增大，从450?C时的14.7%升高至750?C时的22.9%，而稠环芳烃的选择性有所减少，从450?C时的24.8%减少至750?C时的21.5%；在高温下更利于形成小分子的烯烃（乙烯）和烷烃（甲烷）。污泥催化热解的过程中，“烃池”内各种烃类化合物之间存在一定的相互转化行为，可分为“芳香烃循环”、“烯烃循环”和“烷烃循环”，各循环中的烃类化合物相互转化，同时芳香烃、烯烃和烷烃之间也能相互转化形成芳烯烷三烃转化途径。污泥两段式催化热解中，“烯烃循环”占据主导，产生了更多的烯烃（碳产率为17.5%）；而在混合式催化热解中，“芳香烃循环”和“烷烃循环”占据主导，产生了更多的芳香烃和烷烃（碳产率分别达到24.0%和8.7%），说明通过改变原料与催化剂的接触方式能选择性地获取目标烃类产物。通过对比氨基酸单独热解和催化热解过程中氧、氮元素的释放情况分析催化热解过程中氧、氮元素的脱除机制，结果表明：在单独热解的过程中，羧基结构受热易于直接裂解，氧元素大量以二氧化碳的形式释放，亮氨酸和脯氨酸的二氧化碳氧产率分别达到51.7%和67.1%；但在催化热解的过程中，氧元素的脱除过程转变为以脱羰基为主，大量以一氧化碳的形式释放，其氧产率分别达到53.2%和50.4%，而二氧化碳的氧产率较低，分别为9.5%和13.4%。在单独热解的过程中，亮氨酸中的氨基官能团结构简单易于受热直接脱除而形成大量氨气（氮产率为44.4%），而脯氨酸中的碳氮杂环结构相对稳定，氨气释放量相对较低（氮产率为14.2%）；但在催化剂的作用下，氮元素均主要以氨气的形式脱除，氮产率分别达到81.7%和59.7%。

目录

第1章 绪 论

1.1课题背景及研究的目的和意义

1.2污泥的产生与处理现状

1.3污泥催化热解技术研究进展

1.4烃类化合物的生产现状

1.5本文的主要研究内容和技术路线

第2章 实验装置与方法

2.1实验材料

2.2实验装置

2.3实验方法

2.4分析方法

第3章 污泥热解失重特性及动力学分析

3.1引言

3.2污泥热解失重特性

3.3污泥热解动力学分析

3.4本章小结

第4章 污泥混合式催化热解制取烃类化合物

4.1引言

4.2催化剂对污泥混合式催化热解产物分布的影响

4.3热解温度对污泥混合式催化热解产物分布的影响

4.4污泥组分对混合式催化热解制取烃类化合物的影响

4.5污泥催化热解技术优势分析

4.6本章小结

第5章 污泥两段式催化热解制取烃类化合物

5.1引言

5.2反应条件对污泥两段式催化热解产物分布的影响

5.3污泥两段式与混合式催化热解制取烃类化合物效果对比

5.4芳烯烷三烃转化途径

5.5本章小结

第6章 催化热解过程中的氧、氮元素脱除机制

6.1引言

6.2氨基酸催化热解产物分布对比

6.3氨基酸催化热解过程中的氧分脱除

6.4氨基酸催化热解过程中的氮素脱除

6.5本章小结

结论

创新点：

展望：

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文及其它成果

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致谢

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