生物质协同污泥的热解特性研究

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污泥是生活、工业污水处理过程中所产生的副产物。最近几年,在污水处理量持续加大的同时,污泥的产生量也相应地不断提高,如何有效地处置好污泥当前已成为迫在眉睫的重要课题。热解法处理污泥由于其较好的经济性,同时二次污染较少,另外有较高的能源利用率等一系列的优点,目前已经成为众多学者们热推的处理方式。当前,将市政污水污泥作为热解对象进行处理已比较成熟,而工业污泥由于其特殊性,大都来源于纺织、造纸等轻工业以及冶金、石油、建筑等重工业,普遍灰分较高,较难通过热解方法获取资源化产物,目前还未被深入地研究。因此本文通过添加生物质,来协同工业污泥进行热解,在减量工业污泥的同时,获取一定的资源化产物,并探究两者协同热解后的产物特性,为以后进一步研究工业污泥以及废弃生物质的资源化利用提供基础性的研究资料。本文以干燥后的工业化纤污泥和生物质玉米秸秆作为原料,在热重分析的基础上,采用管式炉热解装置,利用GC,GC-MS,SEM等分析仪器,通过对协同热解后所得产物的分析、表征,研究生物质协同工业污泥热解的机理及规律。首先,本文研究了实验原料本身的特性。工业分析和元素分析结果显示,生物质跟工业污泥相较而言,含有更多的挥发分与固定碳,而灰分、水分的含量却更低。两种原料的元素主要都由碳和氧组成,氮和硫元素含量都处于较低水平。如果将生物质掺混进工业污泥,则能够一定程度上提升混合后的挥发分、水分和碳元素的含量,利于其协同工业污泥进行热解;傅里叶红外光谱(FT-IR)测试结果则显示,秸秆中的含氧官能团比较丰富,而工业污泥中的红外光谱吸收峰数目相对较少。其次,本文对两者的热解特性进行研究。采用热重分析仪,比较了工业化纤污泥和秸秆单独热解的基本特性之间的差异,分析了不同秸秆掺混比对协同热解特性的影响。热重分析表明工业污泥和秸秆的热解整个过程都可大致划分三个阶段,包括水分析出阶段、挥发分析出阶段和炭化阶段。秸秆和工业污泥的TG与DTG曲线整体趋势都较为相似,混合试样的TG曲线和DTG曲线都位于秸秆与工业污泥单独的热解曲线之间,呈现规律的阶梯分布。热解残留物即焦炭随混合试样中秸秆掺混比的提高而降低,也呈现出较好的规律性。最后,本文利用自己搭建的热解实验台,用秸秆协同工业污泥进行协同热解实验,考察了不同温度及秸秆掺混比下热解三相产物的分布及其产物特性。对600℃时秸秆的不同掺混比下热解所得的焦炭及焦油产物进行了表征分析。在500℃800℃之间,秸秆与工业污泥热解的焦炭产率随温度升高而逐渐降低,不可凝性轻质组分气体的产率则逐渐增加。同时,秸秆的掺混也促进了协同热解时焦油的裂解和小分子气体的生成,使得部分不可凝气体的产率高于理论计算值。随着秸秆的掺混,H2的产率在50%掺混比时显著提升,协同作用明显;CH4与CO的产率在低温下几乎呈线性增长,协同作用不明显,在高温800℃下CH4的产生受到一定抑制,CO的产率则稍高于理论值,有所体现协同作用。秸秆的热解焦炭的碳骨架较为清晰,孔隙结构丰富,工业污泥热解焦炭表面则相对平滑,没有明显孔隙,另外在两者协同热解后,工业污泥粉末与秸秆焦炭颗粒相互粘附,提高了混合试样表面的碱金属元素含量。另外,秸秆的掺混增加了焦油所含组分的种类,较工业污泥单独热解焦油而言,秸秆协同污泥热解的焦油中的甲苯含量相应降低。
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