基于高温木炭床的污泥催化热解技术研究

摘要

城市污水污泥是污水处理厂处理污水的副产物，因为城市规模的扩大和人口的增长，污泥产量急剧增加，随着环境标准的严格，污泥农用、填埋和焚烧受到越来越多的限制。污泥作为一种生物质资源，富含有机物质，可以通过热解技术转化实现能源化利用且减少二次污染的产生。焦油和生物质炭都是污泥热解的副产物，焦油阻碍了污泥热解技术的发展，生物质炭富含多孔结构，是一种优良的催化剂和催化剂载体，具有价格低廉、容易获得、容易处理、不易失活等优点，对焦油具有良好的催化转化效果。本文在自行搭建的二级固定床热解装置中，探究不同生物质原料热解获得的生物质炭（杨木炭、杏仁壳炭和污泥炭）以及分别负载了金属离子(Hi和Fe)的生物质炭（Ni+杨木炭、Ni+杏仁壳炭、Ni+污泥炭、Fe+杨木炭、Fe+杏仁壳炭和Fe+污泥炭)对污泥焦油的催化效果，揭示炭基催化剂的催化机理。
　　(1)利用热重技术研究了污泥的热解和燃烧过程，结果发现，污泥在不同气氛中反应过程不同，在空气气氛下发生燃烧反应，反应温度范围为170～650℃;在N2气氛下发生热解反应，热解温度范围为140～900℃。污泥热解的最大失重速率大于燃烧的最大失重速率。污泥的热解过程分为3个阶段。升温速率对热解失重率的影响较小。污泥的热解反应为一级反应，活化能在25.77～29.21kJ·mol-1之间，随着升温速率的增大而逐渐增大。
　　(2)使用单级热解反应装置对污泥的热解特性进行探究，结果表明，随着热解终温升高，固体产物产率降低，热解气体产物产率升高，热解液体产物产率先降低后升高。高温有利于生成H2和CO等气体;高温促进了热解液向具有焦油特性的更为稳定、环数较多大分子PAHs的转变。本污泥热解实验以产气为目的，故热解终温设置为800℃，工程经济方面较为合理。
　　(3)利用二级热解反应装置研究了不同生物质原料热解获得的生物质炭（杨木炭、杏仁壳炭和污泥炭）以及分别负载了金属离子(Ni和Fe)的生物质炭（Ni+杨木炭、Ni+杏仁壳炭、Ni+污泥炭、Fe+杨木炭、Fe+杏仁壳炭和Fe+污泥炭）对焦油转化率、产气性能和气体成分的影响，发现污泥炭的催化活性好于杨木炭和杏仁壳炭，经过金属浸渍的生物质炭分别好于其单纯生物质炭，经过硝酸镍浸渍的生物质炭催化活性高于硝酸铁浸渍的生物质炭。焦油经过污泥炭床和浸渍污泥炭床催化分解后，芳香烃化合物含量减少，脂肪族化合物含量增加，杂环化合物含量呈减少趋势，降低了焦油的含氧量、氮含量和含硫杂环化合物含量。Ni+污泥炭对污泥焦油的转化率最高，产气性能最好，在催化温度为900℃，停留时间为5.63s时焦油转化率达到98.46％，产气量达到940m3/吨原料。
　　(4)采用BET、XRD、拉曼、TG-FTIR等分析手段对不同生物质原料热解获得的生物质炭（杨木炭、杏仁壳炭和污泥炭）以及分别负载了金属离子(Ni和Fe)的生物质炭（Ni+杨木炭、Ni+杏仁壳炭、Ni+污泥炭、Fe+杨木炭、Fe+杏仁壳炭和Fe+污泥炭）的结构进行解析与表征，结果发现:污泥炭中存在介孔结构，杨木炭和杏仁壳炭中存在大孔和介孔结构，与污泥炭相比，气体与吸附物质作用较弱。三种生物质炭的比表面积的大小顺序为:污泥炭＞杨木炭＞杏仁壳炭。污泥炭比其他两种生物质炭拥有更为丰富的碱金属含量，污泥炭固化了大部分的重金属元素。由于污泥炭的比表面积大于杨木炭和杏仁壳炭，污泥炭比其它两种生物质更容易负载Ni和Fe离子。经过硝酸镍浸渍后，起催化作用的是金属镍，而不是氧化镍;经过硝酸铁浸渍后，起催化作用的是Fe2O3。由于Ni+污泥炭中含有大量具有催化作用的金属元素，比表面积大，含有更多的无定形碳结构，使其比其它两种生物炭拥有更好的焦油催化裂解效果，是一种具有潜力的优良催化剂。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 城市污水处理厂污泥性质与处理现状

1．1．1 城市污水污泥的组成和性质

1．1．2 城市污水污泥的处置方式

1．2 污泥热解技术研究现状

1．2．1 污泥热解机理

1．2．2 污泥催化裂解

1．3 污泥热解气化焦油问题

1．3．1 焦油的危害

1．3．2 焦油的净化方法

1．4 焦油裂解催化剂的研究现状

1．4．1 天然矿石

1．4．2 镍基催化剂

1．4．3 铁基催化剂

1．4．4 碱金属和碱土金属催化剂

1．4．5 生物质炭催化剂

1．5 论文主要内容

第二章 实验材料与测试方法

2．1 实验仪器和装置

2．1．1 单级热解装置

2．1．2 二级热解装置

2．1．3 产物分析仪器

2．2 分析测定方法

2．2．1 工业分析

2．2．2 纤维含量的测定方法

2．2．3 生物质中金属离子的测定

2．2．4 GC-MS的分析方法

2．3 热解产物的检测

第三章 城市污泥热解特性研究

3．1 实验设计

3．1．1 实验原料

3．1．2 实验方法

3．2 污泥热解特性的影响因素研究

3．2．1 气氛的影响

3．2．2 升温速率的影响

3．3 污泥热解的动力学分析

3．3．1 基本原理

3．3．2 动力学计算结果

3．4 本章小结

第四章 污泥单级热解特性研究

4．1 实验设计

4．1．1 实验原料

4．1．2 实验设备

4．1．3 实验方法

4．2 污泥单级热解实验结果

4．2．1 温度对三相产率的影响

4．2．2 温度对气体组分特性的影响

4．2．3 温度对液体组分特性的影响

4．3 污泥热解的反应过程

4．4 本章小结

第五章 污泥焦油催化裂解实验研究

5．1 实验设计

5．1．1 实验原料

5．1．2 实验设备

5．1．3 实验方法

5．2 不同种类生物质炭对焦油的催化性能研究

5．2．1 不同种类生物质炭催化剂对焦油转化率的影响

5．2．2 不同种类生物质炭催化剂对污泥二级裂解气体产率和组成的影响

5．2．3 不同生物质炭催化剂对焦油成分的影响

5．3 温度对生物质炭催化性能的影响

5．3．1 生物质炭催化床层温度对焦油转化的影响

5．3．2 生物质炭催化床层温度对气体组成和产率的影响

5．4 停留时间对生物质炭催化性能的影响

5．4．1 停留时间对焦油转化的影响

5．4．2 停留时间对气体组成和产率的影响

5．5 重复使用次数对催化性能的影响

5．6 本章小结

第六章 不同生物质炭的结构分析及催化机理研究

6．1 实验设计

6．1．1 实验原料

6．1．2 分析方法

6．2 生物质炭的结构分析

6．2．1 生物质种类对生物质炭结构的影响

6．2．2 预处理方式对生物质炭结构的影响

6．3 本章小结

7．1 结论

7．2 建议

参考文献

附录

致谢

研究成果及发表的学术论文

作者和导师简介