城市污泥气化及重金属迁移转化特性研究

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随着我国城市污泥产生量的急剧增长,污泥的处理处置问题日益成为社会的焦点。在此背景下,作为一项更具环境友好性的污泥处置与资源化技术,污泥气化正成为学术界和工业界关注的热点之一。与传统的高温气化相比,污泥的中低温气化因其重金属污染物的排放量低等优点具有更突出的环保效益。为此,本文着力研究了城市污泥中低温气化及其重金属迁移转化特性。首先,利用TG-FTIR对污泥N2热解、CO2气化和空气燃烧特性进行了初步研究,并计算了各个过程的动力学参数。通过红外谱图分析,发现污泥有机物中的主要官能团包括:羧基、羰基、酰胺基、氨基、甲基、亚甲基和芳香族基团等。热重分析发现,污泥的热解、气化和燃烧过程都可分为三个阶段。三个过程的第一阶段均为水分析出。热解的第二阶段为有机物的热分解,第三阶段为剩余有机物及无机碳酸盐的热分解;气化的第二阶段为有机物的热分解及固定碳的气化反应,第三阶段为残炭的气化反应及无机碳酸盐分解;燃烧的第二阶段为挥发分及剩余有机物的燃烧反应,第三阶段为剩余有机物的燃烧和无机碳酸盐的热分解。第二阶段结束时(本研究中设定为650℃),热解、气化和燃烧的转化率分别达到84%、90%和94%,此阶段均是各过程的最大失重阶段,对应的活化能也为各阶段中最大。污泥空气气化过程包含了热解、燃烧和气化反应,综合来看,TG实验反映了污泥的中低温气化可以实现较高的转化率。其次,利用管式炉进行了污泥CO2气化以及水蒸气气化实验,并与N2热解实验进行对比,系统研究了污泥管式炉内中低温气化及重金属迁移转化特性。研究发现:热解过程和气化过程中各可燃气体释放速率峰值出现的时间先后顺序为:CO峰、CH4峰和CnHm峰、H2峰,初始样品量及样品颗粒粒径对CO和H2峰会产生一定影响,污泥样品量较多且粒径较大时,N2热解时会产生H2次峰,CO2气化时会产生CO次峰。450℃-550℃区间内,CO2气化、水蒸气气化和N2热解的冷煤气效率均接近,550℃后各温度下,水蒸气气化均略高于CO2气化,而N2热解与上述二者差距逐渐增大;450℃-700℃区间内,CO2气化、水蒸气气化和N2热解的样品失重率及残渣含碳量均接近,700℃后CO2气化和水蒸气气化仍保持接近,N2热解与上述二者差距逐渐增大。CO2气化冷煤气效率在700℃时为50%,850℃时达87%,由于高温下水蒸气活性较高,水蒸气气化冷煤气效率在700℃为70%,850℃时达106%。450℃-700℃区间内,CO2气化残渣中Cr、Ni、Cu、Zn、As、Pb的残留率均随温度升高呈缓慢降低的趋势,而在700℃-850℃区间内,上述重金属的残留率下降较快。Cd的残留率在450℃-550℃区间缓慢下降,550℃-700℃区间快速降低,700℃-850℃区间缓慢降低。其中,中温(700℃左右)气化残渣中Cr、Ni、Cu、Zn、As的残留率约为高温(850℃左右)下的1.2倍,Pb约为2.7倍,Cd约为7.5倍。CO2气化残渣中Cr、Ni、Zn、As、Cd的稳定形态所占百分比相较于污泥原样明显提高,而Pb、Cu与污泥原样相近,且中温时(700℃左右)残渣中各重金属的稳定形态百分比与高温时接近。最后,利用自行搭建的流化床热态实验装置进行了污泥空气气化实验,系统研究了污泥流化床中低温气化及重金属迁移转化特性。影响污泥流化床气化特性的各主要参数中,对冷煤气效率、碳转化率影响最大的是温度,其次是空气当量比,一二次风配比和流化数影响较弱。在不发生节涌的前提下,床层高度增加,冷煤气效率和碳转化率也会随之提高。污泥中低温气化的焦油产率较之高温气化明显提高,二次风占比和空气当量比提高,焦油产率单调下降,但较之高温幅度较小。气化温度由600℃升至850℃的过程中,冷煤气效率和碳转化率均呈升高趋势;空气当量比由0.2升至0.4的过程中,冷煤气效率呈先升高后下降的趋势,在0.3时达到最大值,而碳转化率则呈单调升高趋势。气化温度由600℃升至850℃的过程中,各重金属在底渣中的残留率降低,转移至飞灰、产气和焦油中的迁移率升高。随着当量比的升高(由0.1升至0.6),气化炉内气氛的氧化性增强,Ni、Cu的迁移率降低,而Cr升高,其他重金属变化较小。综合本文的研究结果,在进行污泥流化床中低温气化技术的工业运用时,建议将操作温度选择在700℃左右,此时的冷煤气效率与碳转化率相比于高温气化虽有一定程度下降,但重金属迁移至飞灰、产气和焦油中的百分比较之高温气化大幅下降,同时底渣中重金属稳定形态百分比并未明显降低,在确保一定经济性的同时,环境友好性凸显。
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