城市污泥低温催化热解制油实验研究及装置设计

摘要

城市污泥产量巨大且组成复杂，环境危害大，必须进行减量化无害化处置。低温热解制油技术作为一种城市污泥资源化利用方式，正日益受到学术界的重视。污泥热解油高热值有机相的氧含量高且粘度大，催化热解是改善热解油品质的一个方向。研究表明，污泥灰分中富含具有催化作用的矿物质元素。本文以富含矿物质元素的污泥热解后残余物（以下称残炭）作为污泥热解催化剂，考察不同催化方式对污泥热解制油的影响。利用残炭作为载体负载不同金属元素（以下称改性残炭），考察改性后残炭对污泥热解制油的催化效果，并开展残炭催化污泥热解气提质反应器的设计计算。
　　利用水平管式炉，开展残炭与污泥共热解制油实验研究。考察热解温度，残炭添加比例对热解油产率、组分分布及理化特性的影响。在残炭上负载Fe、Cu、Al和Ni等金属元素，研究不同金属元素与残炭中固有矿物质对污泥热解的协同催化作用。结果表明:残炭能够促进热解液有机相的加氢脱氧反应，并催化苯环发生加氢开环反应。经残炭催化后，热解液有机相热值和粘度均得到改善。负载Fe的残炭对有机相加氢脱氧的促进效果最好，所得有机相高位热值最高为35.48MJ/kg，负载Ni的残炭催化所得有机相粘度最低为64.29cSt@20℃。
　　利用自制立式固定床催化炉，污泥在水平管式炉内热解产生的高温热解气穿催化炉内残炭料层，考察双炉温度匹配、催化炉床料种类及残炭填装高度等参数对污泥热解制油的影响。结果表明:双炉温度匹配为500/400℃时有机相产率最大;相比残炭与污泥混合热解工况，有机相含氧化合物含量显著降低。残炭对污泥热解气的催化作用主要表现为:一是促进有机相加氢脱氧，二是促进芳烃的环化和芳构化反应生成PAHs。残炭负载金属后，对热解气加氢脱氧的促进作用增强，热解液的理化特性显著改善。其中负载Fe的残炭催化所得有机相高位热值达40.27MJ/kg，负载Ni的残炭催化所得有机相粘度仅为18.75cSt@20℃。通过多次重复实验发现，残炭的催化活性稳定，不易失活。
　　基于污泥残炭对污泥热解气优异的催化特性，提出了一种利用残炭催化污泥热解气提质的循环流化床热解反应装置。在现有50t/d双床交互循环式污泥低温热解制油工业示范系统的热解反应装置基础上，开展残炭催化污泥热解气提质反应器的设计计算，以期为后续工程应用中污泥热解油的进一步提质提供参考。

目录

声明

摘要

主要符号表

第一章 绪论

1．1 城市污泥的特性及危害

1．2 城市污泥当前主要处置方式

1．2．1 卫生填埋

1．2．2 海洋倾倒

1．2．3 土地利用

1．2．4 热化学方法

1．3 城市污泥低温热解制油研究现状

1．3．1 污泥低温热解制油反应机理研究

1．3．2 实验室规模污泥热解装置研究现状

1．3．3 热解产物分析研究

1．3．4 催化剂对污泥热解影响研究

1．4 城市污泥低温热解制油工程应用现状

1．5 本论文的主要研究内容

1．5．1 研究目的

1．5．2 研究内容

第二章 残炭与污泥共热解制油实验研究

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验材料

2．2．2 实验装置及方法

2．3 实验结果与分析

2．3．1 产率分析

2．3．2 热解液成分分析

2．3．3 热解液理化特性分析

2．3．4 气体产物分析

2．4 本章小结

第三章 残炭催化污泥高温热解气制油实验研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验材料

3．2．2 实验装置及方法

3．3 实验结果与分析

3．3．1 产率分析

3．3．2 热解液成分分析

3．3．3 热解液理化特性分析

3．3．4 气体产物分析

3．4 残炭表面官能团分析

3．4．1 实验及分析方法

3．4．2 结果讨论

3．5 催化剂活性的稳定性分析

3．6 本章小结

第四章 污泥热解气催化提质反应器设计计算

4．1 引言

4．2 工程应用简介

4．3 基础数据分析

4．3．1 原料参数

4．3．2 反应参数和条件

4．4 设计计算

4．4．1 污泥催化热解反应器设计概述

4．4．2 污泥热解炉流态化计算

4．4．3 催化炉流态化计算

4．4．4 催化炉尺寸设计

4．4．5 催化炉阻力计算

4．4．6 材料选择

4．5 本章小结

第五章 全文总结

5．1 全文总结

5．2 研究特色和创新点

5．3 未来工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间论文发表情况