钙基添加剂对污泥热解过程磷迁移转化的影响机理研究

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随着近年来污泥产量的剧增,如何对其进行合理的处理处置成为一个亟待解决的问题。同时,不可再生磷资源的锐减,也迫使我们必须重视对于污泥这一“第二磷源”的资源化利用。污泥热解过程中磷迁移转化特性是目前研究的热点。本文通过standards,measurements,and testing protocol(SMT)方法,确定不同热解温度下污泥中各种形态磷的迁移转化特性,系统地研究了钙基添加剂对磷的含量以及赋存形态演化的影响,构建含磷模型化合物热解过程反应动力学模型,明晰钙基添加剂对污泥热解焦中磷迁移转化特性的影响机理。实验结果表明,污泥中的磷在快速热解后会富集于焦炭中,富集程度随着热解温度的升高先增强后减弱。汤逊湖污泥(ST)/达利污泥(SD)/龙王嘴污泥(SL)样品在650oC热解时,焦中总磷含量分别高达21.53/183.16/83.90 mg P/g干污泥,较未热解前提高了43/48/95%。随着热解温度的升高,污泥热解焦中的有机磷会向无机磷转变,当温度高于850oC时基本全部以无机磷的形态存在。磷灰石磷占总磷的比例在中低温热解时随温度的升高而增加。污泥ST/SL焦中磷灰石磷的占比在650oC时分别高达23.8/94.3%,较未热解前增长了11/49%。钙基添加剂在污泥中低温热解时的固磷效果不明显,但可显著促进磷灰石磷的转化形成。ST/SL/SD样品450oC和1050oC的热解焦中磷灰石磷回收率在加入Ca O后分别提高了153.8/7.3/7.1%和1200/85.6/35.8%。Ca Cl2在低于850oC热解时促磷灰石磷生成的效果优于Ca O,而Ca O在高温热解时效果更好。Ca Cl2和Ca O在中低温下分别促使污泥ST/SD热解焦中的磷灰石磷回收率增加了40.1/80.9%和2.8/8.0%。动力学分析表明,加入钙基添加剂可在一定程度上抑制污泥中铝磷类非磷灰石磷的挥发以及促进有机磷和铁磷类非磷灰石磷向磷灰石磷的转化,从而达到固磷和提高磷灰石磷回收率的效果。无机磷模型化合物Al PO4在500~600oC热解对应特征峰的活化能在添加Ca O后由80.99 k J/mol增长至101.94 k J/mol;Fe PO4加入Ca O和Ca Cl2后,在400~650oC新增特征峰对应的活化能分别为66.69 k J/mol和58.27 k J/mol。有机磷模化物ATP分别添加Ca O和Ca Cl2后对应高温热解段特征峰的活化能由96.22 k J/mol分别降低至51.77 k J/mol和55.94 k J/mol。模型化合物的实验结果揭示了Ca O和Ca Cl2在热解过程中与有机磷和无机磷反应生成如Ca2P2O7、Ca3(PO4)2、Ca5(PO4)3Cl等磷灰石磷的化学反应过程。
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