石化污水处理厂污泥水热炭化产物中硫分布与转化及生物炭成型提质特性研究

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含油污泥作为石油开采、集输和石化污水处理厂污水处理所产生的附加产物,由于产量较大、难以处置且处理成本较高,已经引起了环保人员的关注。近年来,水热炭化(HTC)技术已经开始应用于城市污泥,进而转向污泥作为固体燃料。然而,针对含油污泥HTC产物中硫的分布与转化的研究相对少见。因此,根据当前研究的进展及涉及较少的方向,本文在以下几个方面展开研究工作:
  首先,设置了4组水热炭化试验,反应温度分别为180℃、220℃、260℃和300℃,探究了不同温度条件下制备的水热炭的产率、官能团、形貌特性和燃烧特性。结果表明,含油污泥在220℃条件下所制备的水热炭产率最高,为84.78%。HTC后的含油污泥灰分含量上升,挥发分含量下降。傅里叶红外分析(FTIR)结果显示,-OH官能团的振动随温度升高而减弱,说明在水热过程中发生了脱羧与脱水过程。此外,当HTC温度高于220℃时,水热炭表面具有多孔性,是由于在水热过程中挥发分的释放所导致的。制备的4组水热炭燃烧温度和燃烧指数均高于原始样品,水热炭性能更加稳定,燃烧性能更好。
  其次,针对之前的研究内容,增设了200℃、240℃和280℃三个温度梯度,探究了HTC过程中硫元素在液相(水相和油相)、固相和气相产物分布规律与转化趋势。结果表明,液相中的含硫组分主要为硫酸根离子,在180℃达到1900mg/L左右,且随着水热温度的提升表现出下降趋势。油相中的主要成分为碳氢化合物。水热炭中Thiophene-S和Sulfate-S含量在300℃达到最大值,分别为37.48%和20.96%。其中,Thiophene-S含量的增加是由于水热过程中Sulfide-S、Sulfoxide-S和Sulfone-S发生了缩聚反应。此外,在180℃条件下出现了Sulfate-S和Sulfoxide-S两种新增的含硫物质。
  最后,将含油污泥与锯末样品按不同比例混合后,进行HTC,制备的水热炭粉末样品在热压成型装置中成型。采用元素分析、FTIR和燃烧分析等手段对固体燃料进行评估。结果表明,水热反应后,水热炭中碳元素和固定碳含量增加,炭化效果明显。FTIR结果显示,样品在HTC过程中发生了芳香化反应。混合固体燃料失重率达到95%,燃料的利用率高。随着混合固体燃料中含油污泥比例增加,燃料产量下降,热值升高。当含油污泥与锯末混合比例为20%时,固体燃料热值最大,为26.74MJ/kg。
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