【摘要】：污泥是污水處理后的副產(chǎn)物,其含水率高,組分復(fù)雜,固體相中包含許多有毒有害物質(zhì),須妥善處理。催化熱解具有能源可回收、固化重金屬等優(yōu)點(diǎn),是一種極具潛力的污泥處置方法。催化熱解前的深度干化過程耗能顯著,還會伴隨污泥中的部分揮發(fā)分析出。同時,已有研究表明一定量的水蒸氣會參與生物質(zhì)熱解揮發(fā)分發(fā)生重整反應(yīng)促使大分子轉(zhuǎn)化,同時能消耗催化劑表面積碳從而維持催化劑活性等。可見,適度干化的污泥進(jìn)行催化熱解,既經(jīng)濟(jì)節(jié)能又有利于有機(jī)質(zhì)的高效轉(zhuǎn)化。因此,明晰污泥初始含水率(干化程度)對催化熱解的影響機(jī)制意義重大。本文基于催化熱解反應(yīng)解耦的研究思路,在兩段式石英反應(yīng)器上進(jìn)行不同含水率污泥的熱解實(shí)驗(yàn)與催化熱解實(shí)驗(yàn),收集三相產(chǎn)物并獲得對應(yīng)產(chǎn)率,進(jìn)而采用紫外熒光光譜、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用、傅里葉變換離子回旋共振質(zhì)譜等分析焦油中的輕質(zhì)組分、重質(zhì)組分、芳香化合物分布等,通過研究污泥含水率對熱解階段的影響、含水率對重整階段的影響以及含水率對催化熱解過程中氮元素遷徙轉(zhuǎn)化的影響,全面探究污泥初始含水率對污泥催化熱解過程的影響機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn),在熱解階段,不同含水率的污泥隨著水分的增加,污泥有機(jī)質(zhì)的釋放略有增強(qiáng)。含水率相對較低(1.2%-31.5%)時,隨著含水率增加,焦油中重質(zhì)組分平均分子質(zhì)量增加,輕質(zhì)組分含量減少,輕質(zhì)組分中脂肪烴占比減少而芳香烴占比增加,說明發(fā)生聚合反應(yīng)與長鏈脂肪烴的芳香化,推測是由于水分增加促進(jìn)了反應(yīng)體系中高反應(yīng)活性自由基的生成,從而得到了顯著強(qiáng)化;隨著含水率進(jìn)一步增大(31.5%-50.6%),焦油中重質(zhì)組分平均分子質(zhì)量減少,輕質(zhì)組分含量增加,輕質(zhì)組分中脂肪烴占比增加而芳香烴占比減少,推測是由于聚合反應(yīng)與芳香化反應(yīng)均通常通過脫水反應(yīng)實(shí)現(xiàn),而過多的水分能夠起到抑制脫水反應(yīng)的效果。在揮發(fā)分重整階段,不同含水率的污泥熱解,產(chǎn)生的揮發(fā)分在10%負(fù)載量的Ni/α-Al_2O_3表面進(jìn)行催化重整。含水率相對較低(1.2%-31.5%)時,隨著含水率增加,催化劑的鎳晶格尺寸增加,團(tuán)聚現(xiàn)象明顯,但所產(chǎn)生的焦油全組分芳香化合物增多,輕質(zhì)組分含量不斷增加,其中脂肪烴占比減少而芳香烴占比增加,H_2產(chǎn)量顯著增加,因此,證明了本研究條件下水蒸氣可直接與揮發(fā)分反應(yīng),消耗重質(zhì)組分轉(zhuǎn)化為輕質(zhì)組分,并且促進(jìn)長鏈脂肪烴的芳香化。隨著含水率進(jìn)一步增加(31.5%-50.6%),催化劑的鎳晶格尺寸減小,團(tuán)聚現(xiàn)象得到抑制,催化重整顯著增強(qiáng),焦油全組分芳香化合物減少,輕質(zhì)組分中芳香烴含量減少而脂肪烴含量增多,輕質(zhì)組分總含量增多,重質(zhì)組分中平均分子質(zhì)量減小。污泥中氮元素含量較高,在熱處理過程中,氮極有可能轉(zhuǎn)化為NO_x、N_2O等有害氣體,因此本課題進(jìn)而針對含水率對污泥催化熱解過程中氮元素遷徙轉(zhuǎn)化的影響機(jī)制開展研究。氮在焦炭中主要以吡啶-氮、吡咯-氮、蛋白質(zhì)-氮和季氮四種形式存在,水分的增加主要促進(jìn)其中吡啶-氮的釋放。氣體中的氮主要以N_2的形式存在,來源于NH_3與HCN的催化轉(zhuǎn)化,其含量與催化劑的活性密切相關(guān)。焦油中的氮主要以含氮雜環(huán)、腈類和酰胺類的形式存在。在相對低含水率時,以水分參與重整反應(yīng)為主,在相對高含水率時,以催化裂解作用為主,二者共同作用使氮元素逐漸向小分子輕質(zhì)組分中轉(zhuǎn)移。
【圖文】：

圖 1-1 污泥中的水分類型[27]處置現(xiàn)狀環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)[30,31]，污泥的處置需要遵循“減量化、穩(wěn)定化、無。目前，污泥的處理主要采取農(nóng)業(yè)利用、衛(wèi)生填埋、投海、方式。業(yè)利用厭氧消化、好氧發(fā)酵等處理后，以有機(jī)肥、腐殖土、營養(yǎng)土泥中含有的氮、磷、鉀及有機(jī)質(zhì)甚至與一些禽畜糞便的含量本較低[34]，而且能夠?qū)崿F(xiàn)污泥的資源化利用[32]，美國、日本泥農(nóng)用的比例均達(dá) 60%以上[35,36]。但由于污泥中含有大量的、銅、錳等）、有毒有機(jī)污染物[39,40]（多環(huán)芳烴類、多氯聯(lián)苯[41,42]

圖 1-2 污泥的常見處置方式1.2 污泥催化熱解技術(shù)盡管污泥熱解技術(shù)能夠有效固化重金屬、進(jìn)行能源回收，但是熱解油一般組分復(fù)雜，且富含 O、N 等元素，不能直接替代石油應(yīng)用于工業(yè)[71]。而催化熱解能夠提質(zhì)熱解油[72]、制備高質(zhì)量合成氣與氫氣[73]、降低反應(yīng)所需溫度[74]、改善氮等元素的遷徙轉(zhuǎn)化[75,76]等，，是一種實(shí)現(xiàn)污泥清潔高效利用的處置方式。常用的催化劑包括天然礦石（如白云石[77]、橄欖石[78]、高嶺土[79]、高鋁礬土[80]等），堿金屬類（如鈉鹽、鉀鹽等）[81-83]、金屬氧化物（如 Fe2O3、ZnO、Ti2O3等）[84]、貴金屬類（如 Rh、Ru、Pd、Pt 等）[84]、鎳基[84]等。白云石獲取成本較低，分布廣泛，但是機(jī)械強(qiáng)度不夠高[77]；橄欖石的催化裂解活性較低[78]；堿金屬類和金屬氧化物催化劑受其低熔點(diǎn)特性的影響，在高溫下易發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象[81]；貴金屬催化劑雖然催化活性
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：X703

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本文編號：2624031