污水污泥与高灰熔点煤制备水煤浆及气化实验研究

摘要

城市污水污泥（以下简称污泥）作为城市污水处理厂的主要副产物之一，其无害化的处置及资源化利用是不可回避的问题。我国每年干污泥产量已经超过1800万吨，因其高水分、高灰分和低热值的特性，不能单独作为能源利用，需要与煤等其他能源混合加以利用。我国未来50年的一次能源消费仍然以煤炭为主，而高灰熔点煤占煤炭储量和产量的一半以上，由于其灰熔融温度过高(FT＞1500℃)，不能单独应用于以气流床煤气化技术为核心的新型煤化工领域。基于污泥中含有较高的碱金属和碱土金属元素，若能实现污泥与高灰熔点煤混合制备合格的水煤浆，既可以使污泥得到资源化利用（替代部分用煤和用水），还能有效降低高灰熔点煤的灰熔融温度，使之可以有效应用于水煤浆气流床气化工艺。
　　本研究选用以淮南煤（采自淮南潘二矿）为代表的高灰熔点煤和取自淮南首创第一污水处理厂的污泥为主要研究对象，在对煤和污泥样品基本特性分析的基础上，考察了污泥添加量对高灰熔点煤水煤浆成浆特性的影响，对污泥水煤浆进行了灰熔融温度、灰化学成分（XRF）、灰的矿物组成(XRD)以及Zeta电位和SEM-EDX的测试分析，并使用热重-红外联用分析仪和自制石英弹簧热天平开展了污泥水煤浆的CO2气化特性试验研究，同时，利用Aspen Plus软件对高灰熔点煤污泥水煤浆气化过程进行了模拟研究和经济性分析，得到以下主要结论:
　　淮南煤灰化学组成中的硅铝含量高达90％，碱金属和碱土金属含量很低（其中CaO含量仅3％），使得淮南煤灰在高温下形成熔融温度很高的硅铝酸盐矿物质（以莫来石为主），从而导致淮南煤灰熔融温度高于1500℃，故无法单独应用于已经商业化的气流床气化装置中。污泥灰化学组成分析表明，高达40％的CaO含量源自其改性压滤脱水的过程中添加的生石灰。
　　由灰熔融特性研究结果可见，污泥中富含的CaO与淮南煤灰中高含量的SiO2和A12O3相结合，生成熔融温度较低的矿物（以钙长石为主），有效阻止了高熔融温度的硅铝酸盐矿物（以莫来石为主）的形成，从而降低了HN煤的灰熔融温度。当污泥添加量达到16.7％（浆基）时，流动温度(FT)低于1350℃，此时可制得浓度为57％的污泥水煤浆。
　　污泥水煤浆制备结果表明，污泥水中的富含Ca2+，大幅降低了水煤浆的zeta电位，导致水煤浆黏度的增大，同时使定黏（1200mPa s）最大制浆浓度降低;污泥絮状表观形貌可以有效改善水煤浆的稳定性;可以制得流动性和稳定性、浓度均优良的污泥水煤浆。
　　污泥水煤浆CO2气化试验数据显示，污泥添加可降低了CO2气化反应温度，提高了CO2气化反应速率，气化产物CO产率略有减少。
　　通过对污泥水煤浆气化过程模拟可见，添加污泥可以使高灰熔点煤气化温度降低至1420℃（可以应用于水煤浆气流床气化炉），耗氧量减少18.1％，同时可处理进料量16.7％的污泥（替代相应量的煤炭消耗），耗水量却减少19.9％，有效合成气摩尔分率降低2.7％。
　　高灰熔点煤与城市污水污泥制备水煤浆及气化实验研究表明，通过降低淮南煤灰熔融温度，使气化温度大幅降低，从而可以满足水煤浆气流床气化炉的工艺要求;虽然有效合成气有所降低，但在处理大量污泥的同时，氧耗、水耗和煤耗同步减小，具有良好的环境和经济效益。

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摘要

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注释说明清单

第一章 绪论

1．1 课题研究背景和意义

1．2 污泥与处置处理的目的和方法

1．3 污泥与煤共制水煤浆试验研究进展

1．4 污泥和高灰熔点煤共气化研究进展

1．5 研究主要内容及技术路线

第二章 试验样品和试验方法

2．1 试验样品

2．2 试验方法

2．2．1 水煤浆制备和性能检测

2．2．2 灰熔融特性分析

2．2．3 热分析方法

第三章 污泥对高灰熔点煤水煤浆成浆特性及灰熔融特性的影响

3．1 添加污泥对水煤浆成浆特性的影响

3．1．1 原料煤制浆成浆特性

3．1．2 添加污泥对高灰熔点煤水煤浆成浆特性的影响

3．2 添加污泥对煤灰熔融特性的影响

3．2．1 样品灰成分分析

3．2．2 灰样矿物组成分析

3．2．3 添加污泥对灰熔融温度的影响

3．3 小结

第四章 污泥水煤浆气化特性分析

4．1 污泥和煤气化特性分析

4．1．1 污泥气化特性分析

4．1．2 高灰熔点煤水煤浆气化特性

4．2 污泥与高灰熔点煤水煤浆共气化特性分析

4．3 小结

第五章 污泥水煤浆气化过程模拟研究

5．1 高灰熔点煤水煤浆气化模拟

5．2 污泥和高灰熔点煤水煤浆共气化过程模拟

5．3 污泥和煤水煤浆共气化经济性分析

5．4 小结

第六章 结论及讨论

6．1 结论

6．2 论文创新点

6．3 建议与展望

参考文献

致谢

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