污泥快速热解特性及技术经济性评价

摘要

热解技术由于高效洁净的特点而成为一种富有前景的污泥热处理方式，其工业化推广面临的几个关键问题，其中以热解过程中的环保问题和大规模工业应用的经济性评估最为重要。污泥中的重金属在热解过程中的释放特性直接决定控制策略的选择，建立在考虑污泥热解特性之上的经济性评价为将来工业推广提供必要的基础理论。
　　本文首先对我国大中城市污泥分布特性进行统计分析并与国际排放数据进行比较。研究发现除As元素外我国污泥重金属含量相对较低。依据污泥重金属含量高低对中国各地区进行聚类分析发现，江苏、浙江、上海等地区重金属污染最为严重，其它大多数地区污泥中重金属含量相对较少。结合热稳定性、生态危害性等多种因素，本文重点关注的重金属包括：Cr、As、Cd、Pb。
　　以武汉市典型污泥为代表开展了不同温度、不同停留时间下的快速热解实验，研究了热解过程中热解气体和重金属的释放特性，发现污泥在450℃下析出率即达到80％，提高热解温度后挥发份析出速率会显著提高且热解气中可燃气体浓度增加。通过使用电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）测量了焦炭中Cr、As、Cd、Pb四种重金属的浓度，分析了不同热解条件对重金属迁移规律的影响并探讨重金属的迁移与挥发份析出的关联。研究表明，污泥热解后Cr主要残留于焦炭中，但高温下Cr的释放率会明显增加。As在450℃即可大量释放，最高释放率达60.4%，Cd和Pb在850℃条件下均接近完全释放，危险性较高。结合挥发份的析出和重金属的释放特性发现Cr和As随着挥发份近似呈正比例释放，Cd和Pb则集中在挥发份析出后期释放，故Cr和As的释放无法通过热解条件来控制，而通过减少停留时间或反应温度可有效抑制Cd和Pb的释放。
　　最后，根据热解实验过程得到的污泥热解产物分布，利用Aspen Plus软件模拟了污泥热解流程并计算和分析了不同因素对热解技术经济性的影响，并与污泥混烧技术进行对比研究。结果表明在化石能源价格普遍较低的情况下，污泥热解和污泥混烧技术的经济性不够理想。其年投资回报率与化石能源价格、输运成本、碳税以及政府补贴相关。相比较而言污泥热解处理技术的年投资回报率略高于污泥混烧技术。当石油、燃煤价格分别达到52美元/桶、418元/t时，污泥热解和污泥混烧技术即可实现盈利。污泥混烧技术适用于污泥运输距离小于15km的中小城市，污泥热解技术在运输距离更长的大中城市则更有经济优势。如我国对化石能源征收碳税，污泥热解和污泥混烧技术因节省碳税而获得的年投资回报率分别能达到2.4%和7.3%。若考虑政府补贴因素，当补贴价格分别为95元/t、24元/t时污泥热解和污泥混烧技术的内部收益率可以达到30%。

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1 前言

1.1引言

1.2污泥热解技术

1.3污泥重金属的含量及其迁移特性

1.4污泥热解技术的经济性研究

1.5本文主要研究内容

2 我国大中城市污泥特性分布特征

2.1引言

2.2污泥样本数据收集及测量

2.3我国大中城市污泥特性分布状况

2.4武汉市污泥特性

2.5污泥重金属危害性浅析

2.6本章小结

3 污泥快速热解特性及重金属释放规律

3.1引言

3.2实验原料和方法

3.3挥发份和热解气的释放特性

3.4 热解温度对Cr/As/Cd/Pb的释放影响

3.5挥发份释放过程中Cr/As/Cd/Pb的迁移规律

3.6本章小结

4 污泥热处理技术经济性对比分析

4.1引言

4.2原料及热处理工厂设计规模

4.3污泥热解模型构建及经济性参数估算

4.4污泥混煤燃烧模型构建及经济参数估算

4.5污泥热解和混烧技术经济性对比分析

4.6本章小结

5 全文总结及展望

5.1全文总结

5.2本文特色

5.3全文展望

致谢

参考文献

附录 攻读硕士学位期间的科研成果

一、研究生期间的主要学术成果

二、研究生期间参与的科研项目