污泥热解反应机制及其能源化工艺的全生命周期评价研究

摘要

城市化飞速发展，污水污泥产量剧增，如何实现污泥能源化处理成为行业难题。本文初步解析热解过程污泥热解反应类型、产物释放规律、能量平衡分析、污泥有机基团和无机组分热解机理等，旨在深入理解污水污泥热解反应机制过程和工艺特性；并提出采用生命周期评价新方法,结合污泥热解机制研究实验结果和相关文献热解数据信息,对热解工艺开展环境、能量、经济评价，进行该工艺机制全方位分析,为今后污泥处理处置提供基本理论参考依据。研究表明：污泥热解化学反应存在自由基生成、含氧官能团分解、脂肪侧链断裂、裂解、脱氢等过程，这主要与污泥表面官能团醇、酚、羧酸等的-OH键、脂肪族-CH3、-CH2烷链结构、C=O键、芳香族酯等存在密切相关；温度对残焦表面多数有机官能团热裂解影响较大，对杂原子团影响较小。污泥热解过程，提高产物能值、减少废弃能量和热消耗可降低系统反应能耗，慢速升温、热解停留时间长、高温条件会加大系统能量输入和热损失。就热处理副产物而言，污泥热解气体产率随温度线性上升，350℃时成分主要为CO和CO2，650℃后可燃性气体组分含量快速上升；固体产率受温度影响较小，随温度升高热值逐渐降低；液体产率在450℃时达到最大值，热值则先升高后减少。
　　本研究通过搭建污泥能源化处理评价模型和清单分析，并基于Simapro软件、生态指数法、能量守恒定律和LCC成本法，提出生命周期评价新方法，分析了不同工况下污泥热解工艺。结果显示：若以环境影响为首要目标，随着温度升高，高温热解工艺环境损害相对负荷值逐渐增加，而影响类别主要为化石燃料、大气无机污染物和气候变化，热解环节用电导致系统环境损害值较大，可将产物能量回用降低损害；若主要考虑能源回收情况，系统生命周期能量消耗总值随温度增加而增加，能源回收率却逐渐降低，氢气产率和产物总热值均在750℃达到最大，450℃时生物油产量最高，而固体产率则逐渐减少；根据经济评价结论，污泥热解工艺系统的成本消耗值随温度增加而逐渐升高，750℃时效益收入最大，总成本值先增加后减少，最高费用出现在650℃。

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第1章 绪 论

1.1 研究背景与意义

1.2 污泥资源化处理

1.3 污泥热解特性研究

1.4 污泥热解机理研究

1.5 生命周期评价方法概述

1.6 生命周期评价应用的国内外研究现状

1.7 课题研究内容

第2章 污泥热解机制特性的实验研究

2.1 引言

2.2 污泥样品及特性

2.3 实验仪器与分析方法

2.4 污泥热解过程反应类型解析

2.5 污泥热解过程能量平衡分析

2.6 热解产物特性

2.7 小结

第3章 污泥组分热解演化机制分析

3.1 实验仪器与分析方法

3.2 污泥显微组分吸收峰归属

3.3 污泥有机官能团热解演化规律

3.4 红外参数分析

3.5 污泥无机组分热裂解机理

3.6 小结

第4章 污泥热解工艺全生命周期评价模型建立及清单分析

4.1 研究目标和范围

4.2 功能单位定义

4.3 生命周期清单分析

4.4 污泥热解工艺清单数据收集

4.5 数据处理和汇总

4.6 小结

第5章 污泥能源化处理全生命周期评价方法研究

5.1 污泥能源化处理生命周期环境影响评价方法

5.2 污泥能源化处理生命周期能量评价方法

5.3 污泥能源化处理生命周期经济评价方法

5.4 小结

第6章 污水污泥能源化处理工艺生命周期评价

6.1 污泥热解处理工艺全生命周期环境评价

6.2 污泥热解工艺全生命周期能量评价

6.3 污泥热解工艺全生命周期经济评价

6.4 小结

第7章 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间参加的科研项目和成果