【摘要】：隨著我國城市污泥產(chǎn)量的不斷增加,國家對(duì)其環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)也大幅提高,使得城市污泥的處理處置問題日益嚴(yán)峻。污泥熱解技術(shù)具有能源利用率高、固化重金屬、不產(chǎn)生二VA英、產(chǎn)物熱值高等優(yōu)點(diǎn),近年來受到國內(nèi)外研究人員的青睞。本課題為了解決經(jīng)機(jī)械脫水后污泥泥餅的資源化處置難題,采用實(shí)驗(yàn)與模擬相結(jié)合的方法,對(duì)污泥熱解動(dòng)力學(xué)、產(chǎn)物特性、熱解機(jī)理、傳熱傳質(zhì)特性、能量平衡與碳排放及含塵熱解氣體的凈化進(jìn)行了系統(tǒng)性研究。(1)采用氣氛管式爐對(duì)機(jī)械脫水后泥餅進(jìn)行了熱解實(shí)驗(yàn)研究,分析了相關(guān)工藝參數(shù)對(duì)熱解特性的影響,并對(duì)熱解產(chǎn)物進(jìn)行了表征與討論。污泥熱解主要為酚類、酮類、脂肪族等有機(jī)物的分解;以制氣為主的熱解溫度宜為800℃以上,污泥粒徑不宜超過10 mm,含水率以20%左右最佳;污泥高溫?zé)峤鈿庵锌扇汲煞?H_2、CH_4、CO、C_2H_4等)總量超過60%;熱解油成分復(fù)雜且含有多環(huán)芳烴(PAHs);添加Fe_2O_3在促進(jìn)氣體產(chǎn)量的同時(shí)會(huì)使熱解油中PAHs含量增大,但對(duì)可燃性氣體含量無明顯促進(jìn)作用。(2)采用熱重分析儀對(duì)污泥、鋸末及其混合物熱重特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,基于Coats-Redfern法、Flynn-Wall-Ozawa法、Kissinger-Akahira-Sunose法與雙外推法對(duì)其熱解動(dòng)力學(xué)和最概然機(jī)理函數(shù)進(jìn)行了分析。污泥中鋸末的添加使樣本揮發(fā)分析出特性增強(qiáng);添加少量鋸末時(shí),二者有一定協(xié)同作用,隨添加比例增大,協(xié)同效應(yīng)減弱消失并轉(zhuǎn)化為抑制效應(yīng);采用高階反應(yīng)級(jí)數(shù)的Nucleation-Growth模型能夠較好地描述樣本熱解過程;不同升溫速率時(shí)的表觀活化能與頻率因子間存在動(dòng)力學(xué)補(bǔ)償效應(yīng)。(3)在考慮鋸末與含水率的條件下,耦合熱動(dòng)力學(xué)方程與質(zhì)能方程對(duì)污泥熱解過程傳熱模型進(jìn)行了建模、求解與驗(yàn)證。模型結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好,對(duì)10mm以內(nèi)樣本有較高的精確度;熱解溫度升高會(huì)使升溫與失重速率增大且峰值均有所提前;而樣本粒徑的減小則使最大失重速率降低并出現(xiàn)延遲;含水率增大會(huì)急劇延長熱解時(shí)間,使內(nèi)部溫度梯度增大,最大失重速率降低。(4)改進(jìn)了濕污泥脫水—自然干化—熱干化—熱解—能量回收的工藝流程,對(duì)工藝的能量平衡與碳排放量進(jìn)行了分析與計(jì)算。水分析出的顯熱要遠(yuǎn)大于產(chǎn)物顯熱,設(shè)備熱利用率達(dá)為75%時(shí),熱解氣產(chǎn)生的化學(xué)熱可以維持熱解所需最小能量;脫水干化和熱解階段碳排放總量分別為102.98 kg/t和168.47 kg/t濕污泥;熱解階段碳減排量為58.87 kg/t濕污泥。(5)對(duì)典型的污泥熱解氣與飛灰分別進(jìn)行了冷態(tài)電暈放電實(shí)驗(yàn)與電除塵效率實(shí)驗(yàn),并基于動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)對(duì)可能發(fā)生的泄爆過程進(jìn)行了瞬態(tài)仿真。污泥熱解氣可以建立穩(wěn)定電暈,H_2和CH_4含量的升高會(huì)使電暈電流增大,工作電壓區(qū)間縮短;熱解飛灰使用一級(jí)干法電除塵凈化時(shí)收塵效率超過95%;泄爆時(shí)間基本隨內(nèi)部壓力線性增長,但閥蓋行程增大使泄爆時(shí)間呈非線性降低;介質(zhì)溫度的降低會(huì)使得泄爆時(shí)間顯著延長。熱解技術(shù)可以高效地實(shí)現(xiàn)污泥的資源化利用,而熱解傳熱模型、工藝分析以及熱解除塵工藝的研究可為熱解設(shè)備及系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。
【學(xué)位授予單位】：燕山大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：X703
【圖文】：

圖 1-1 污泥熱解研究文獻(xiàn)數(shù)量統(tǒng)計(jì)Fig. 1-1 Quantity statistics of sludge pyrolysis以看到，自 2010 年后，有關(guān)于污泥熱解的研究方分析、混合熱解、各種元素遷移等等方面所發(fā)表的是近三年內(nèi)，每年研究論文數(shù)量都在 400 篇左右。多國內(nèi)外研究人員的青睞，已經(jīng)成為環(huán)境、能源等領(lǐng)對(duì)污泥治理與資源化政策的推進(jìn)，好氧發(fā)酵、熱水人們所接受。但不同于發(fā)達(dá)國家國情，受雨水污水設(shè)背景與區(qū)域經(jīng)濟(jì)、人口、氣候等方面的差異的影國污泥處理處置現(xiàn)狀的需求，現(xiàn)階段我國污泥處理局面[23]。除此之外，我國逐漸降低了對(duì)煤炭行業(yè)的的逐步減少使得可再生能源在未來都將是人們所關(guān)構(gòu)預(yù)測(cè)，21 世紀(jì)以化石能源為主體的世界能源系統(tǒng)源系統(tǒng)[24]。

對(duì)脫水后污泥泥餅進(jìn)行熱解實(shí)驗(yàn)研究更具有工程實(shí)際意義。（3）大多數(shù)文獻(xiàn)對(duì)污泥熱解過程動(dòng)力學(xué)研究都集中于簡單機(jī)理函數(shù)模型，且反應(yīng)級(jí)數(shù)選取不適當(dāng)也得所求得的表觀活化能值相差較大，對(duì)于最概然機(jī)理函數(shù)的推斷也較少。（4）國外對(duì)于城市污泥熱解過程中的傳熱模型研究很少，難以對(duì)污泥熱解有更深層次的解。而現(xiàn)有關(guān)于生物質(zhì)熱解傳熱文獻(xiàn)中，大多對(duì)于物性參數(shù)隨熱解過程的變化、應(yīng)熱和含水率等都沒有進(jìn)行深入分析。（5）缺乏對(duì)污泥脫水—干化—熱解整體工流程能量平衡與碳排放的計(jì)算分析。（6）關(guān)于污泥熱解的文獻(xiàn)中大多集中于熱解數(shù)和熱解產(chǎn)物的分析，幾乎沒有文獻(xiàn)對(duì)于污泥熱解產(chǎn)生的含塵氣體凈化過程進(jìn)行究。3.2 主要研究內(nèi)容污泥熱解作為機(jī)械脫水后泥餅的熱化學(xué)處理方法，具有能源利用率高、固化重屬、不產(chǎn)生二VA英、減容率高等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。本文將采用驗(yàn)與模擬相結(jié)合的方法對(duì)污泥熱解、動(dòng)力學(xué)、傳熱傳質(zhì)、能量平衡與碳排放及后熱解氣凈化過程進(jìn)行研究，研究技術(shù)路線圖如 1-2 圖所示。

燕山大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文行機(jī)械脫水，裝置示意簡圖如圖 2-1 所示。由于理劑，既增大了脫水孔道，強(qiáng)化了脫水效果，量。機(jī)械壓榨 30 min 后污泥樣本的含水率可降溫鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)干燥 24 h，再經(jīng)過破碎處理制備所析和元素分析如表 2-1 所示，表中 Mad，Vad，F(xiàn)水量、揮發(fā)分、固定碳和灰分。表 2-1 污泥與鋸末的元素分析與工業(yè)分析rimary analysis and ultimate analysis of sewage sludge and 質(zhì)量分?jǐn)?shù), %元素分析 工業(yè)分析H O N S MadVadFCad4.26 19.08 4.01 1.58 5.21 60.38 4.96 6.81 43.35 0.32 0.11 3.05 78.62 17.01

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2793729