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吉建斌的网易博客

吉建斌

 
 
 

日志

 
 

污水污泥高温热解技术研究现状与进展(上)  

2018-01-07 06:45:00|  分类: 废水污泥处理和资 |  标签: |举报 |字号 订阅

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万立国1,田禹2,张丽君1,方琳3

(1.长春工程学院水利与环境工程学院,吉林长春130012;2.哈尔滨工业大学市政环境工程学院,黑龙江哈尔滨150090;3.深圳大学化学与化工学院,广东深圳518060)

(原载于环境科学与技术34卷6期109至114页)

 

摘要:随着污水处理率的不断提高,污水污泥的处理成为了一个复杂的环境问题。污水污泥高温热解技术以其优点和可操作性成为了研究热点。文章介绍了污水污泥热解设备的发展现状,就微波高温热解污水污泥的新方法进行了探讨,归纳了在不同外界条件下污水污泥高温热解所得的固、液、气三相产物的特性,最后指出了高温热解法有待于进一步研究的问题。

关键词:污水污泥;高温热解;微波

 

Status and Progress on High Temperature Pyrolysis of Sewage Sludge

WAN Li-guo1,TIAN Yu2,ZHANG Li-jun1,FANG Lin3

(1.School of Water Conservancy and Environment Engineering,Changchun Institute of Technology,Changchun 130012,China;2.School of Municipal and Environmental Engineering,Harbin Institute of Technology,Harbin 150090,China;3.School of Chemistry and Chemical Engineering,Shenzhen University,Shenzhen 518060,China)

Abstract:With continuous improvement of sewage treating efficiency,sewage sludge disposal is becoming a complex environmental problem. Pyrolysis of sewage sludge is becoming a research focus for its advantages and maneuverability. Current status of sewage sludge pyrolysis equipment was introduced,several new methods for pyrolyzing sewage sludge by microwave radiation were described,and characteristics of solid,liquid,gas-phase products from pyrolysis under different conditions were reviewed. Further researches of pyrolysis for sewage sludge disposal were proposed as well.

Key words:sewage sludge;high temperature pyrolysis;microwave

 

近年来,随着污水处理率的不断提高,大量产生的污水污泥已经引起日益严峻的二次污染,对环境造成了严重危害,并且成为城市污水处理行业的瓶颈。污水污泥复杂的结构和多变的性质使得对其进行处理的难度大大增加[1,2]。因此,研究安全、高效、经济的污泥处理工艺,实现污泥的减量化、无害化和资源化,促使污泥从单纯的处理转向包括能量、安全副产物的循环利用,具有重要的理论和现实意义。

污水污泥与大部分有机废物相同,含有大量易挥发性有机物质。因此贮存在污染物中的能量,能以热量或作为燃料或制造出特殊化学品的形式释放出来[3]。目前关于污水污泥处理技术的研究主要在三个方面:一是促进污泥高效脱水、有机物溶解的预处理技术;二是可实现污泥最终处置的焚烧与卫生填埋技术;三是污泥多种形式的资源回用技术。国内外的研究表明[4-8]:污泥的高温分解技术能够取得比污泥预处理更为彻底的处理效果,同时,产生比污泥焚烧危害更小的副产物;在控制适当的条件下,污泥的高温分解可以避免副产物的污染,使其成为资源回用的对象。正因如此,污水污泥的高温分解开始引起人们的广泛关注[9,10]

污水污泥的高温分解是指在隔绝空气的条件下加热,使组成成分发生大分子断裂,产生小分子气体、热解溶液和碳渣的过程,反应温度通常控制在600~1000 。与传统500 以下的低温热解技术相比[11],高温热解对实现污泥高效减容、重金属有效固定、减少烟气污染具有更重要的意义,本文从污水污泥热解设备、微波高温热解污水污泥新技术和热解产物特性分析等方面对污水污泥高温分解进行了系统的分析和探讨。

1 热解设备概述

目前国内对热解法的研究还处于试验阶段,大多在低温阶段。邵立明等[12]用间歇式试验方法来研究污泥热解,但在热解工艺和设备的改进方面有待新的突破[13,14]。国外对污泥热解技术的研究始于20世纪80年代,最早是由Bayer B提出[15],现已集中在高温阶段。

除了用传统的电炉设备热解污泥外,人们还通过改造和组合热解装置来实现污泥的热解。Gan Q[16]用对流加热器和微波炉组合的半工业化微波设备作为反应器,它能调整功率,其中最大的功率为2000 W。该设备是由一个电风扇加热器(1280 W)通过一个直径为0.05 m 连接器附在微波炉外壁,这样热空气能以96 不变的温度传入微波炉,并在炉内循环。该组合设备允许污泥的加热和干燥在三种不同情况下发生:(1)单独的对流加热;(2)单独的微波加热;(3)微波和对流同时加热和干燥(联合模式)。Schmidt 等[17]用流化床来作为反应器,污泥的热解在流化床中进行。流化床的主体用抗热性好的不锈钢制成,由两个内径不同的管组成。刘连芳等[18]对污泥热解和焚烧试验研究中,采用的是一炉三用,物料从炉身顶部装入。热解试验时把试验台与空气隔绝,使之发生缺氧条件的热解反应;采用固定床焚烧时保持与空气自然相通,使之发生有氧条件下的固定床焚烧;采用流化床焚烧时,打开风机,调节风量,使床砂沸腾起来达到流化状态,实现物料与床砂的充分混合,然后进行焚烧试验。Menéndez J.A.等[7]在研究微波高温热解污泥时,用多状态的微波炉使污泥的干化和热解在单一过程中完成。为了维持惰性环境,试验开始前30 min向样品床通入氦气。试验流程如图1所示。

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2 微波高温热解污泥新技术

微波辐射加热具有一些很重要的特点[19]:(1)加热均匀,热效率高,热量从物质内部产生;(2)选择性加热,一般含水量在万分之几到百分之几十之间的物质都可以有效的采用微波加热;(3)穿透能力强,电磁波能够穿透到介质内部;(4)反应灵敏,开机几分钟即可正常运转,关机后加热也无滞后性。所以,近年来人们也考虑选用微波加热来进行生物体[20,21]、煤[22,23]和各种有机废物的热解[24,25]。这里介绍使用微波高温分解污水污泥的新方法。

含水率较高的污水污泥经过浓缩和机械脱水预处理后,使其含水率控制在(75 ± 3)%。此时,若利用微波对湿污泥进行加热处理,污泥仅能被烘干。为了实现用微波高温分解污水污泥,所需的温度要比烘干污水污泥时更高。研究发现[21,26]:微波对不同物质有不同的作用,含有极性的物质容易吸收微波能量而发热,不含极性的物质能透过微波,而很少吸收微波能量。如果在污泥中混合少量的微波能吸收物质(如炭和某些金属氧化物),温度能迅速升到很高,此时污泥将被高温分解而不是烘干。Domíngue A.等[27]用石墨作微波能添加物质与湿污泥样品充分混合后用微波加热,发现温度迅速升高到135 并持续2 min,然后样品的温度才开始上升到1000

Menéndez J.A.等[4]发现:湿污泥高温分解后产生的固体残留物质可作为吸收微波能的物质使用,这使得所添加的微波能吸收物质直接来源于污泥本身。将粒径为1 mm的固体残留物质与湿污泥均匀混合试验,可知达到充分高及充分稳定的温度时,需要与污泥混合的残留物最小量为混合物总重量的5%。图2给出了三组不同试验的温度变化曲线。三条曲线显示出相同的变化趋势,大约在试验开始2 min后达到900 ,试验后期曲线开始轻微下降,但在试验结束前2分多钟时曲线趋势大致保持稳定。

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由于污泥性质和反应设备不同,在微波高温分解污泥时,所添加到原污泥样品中含炭固体残渣的比例也不一定相同。研究表明[28]将5 g高温分解后的含炭残留物作为微波能吸收物质与15 g污泥样品充分混合后,用微波加热试验得到的时间温度曲线如图3所示。这里的温度指外部温度,内部温度比外部温度要高100左右。

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3 污泥热解产物分析

3.1 固态剩余物

污水污泥热解过程中,污泥体积随着热解温度升高而不断减少,热解温度越高,污泥减少量越大。研究表明[29]:在650 ℃时,干污泥的减少量达到40%~50%,湿污水污泥减少量更大。污泥体积的减少量主要受热解温度增加速率的影响。在污水污泥的高温分解过程中,用电炉和用微波炉分别使污泥体积减少93%和89%。这两种高温分解方法都能使污泥的体积大量减少,便于用填埋的方法处理最后残留物。高温分解的固体产物有很高的渗透率。试验显示[4]:微波高温分解和电炉高温分解所得残留固体物质的渗透率分别为50.3%和54.0%。

在污水污泥高温分解中,热解温度和热解时间对固体残留物的表面积和小孔结构的形成有显著影响。一般情况下,固体残留物的表面积随着热解温度升高和热解时间的延长而变大。然而,在一定的温度范围内,污泥可能处于一种熔融的热塑性阶段,此时一些挥发性物质开始逸出导致小孔孔径扩大而使残留固体表面积随着温度升高变小。Lu G.Q.等[8]发现热解温度为850℃,热解时间为2 h时,污水污泥高温分解所得固体残留物具有最大的表面积。在热解温度为850℃和热解时间为3 h的时候,细孔被烧结而封锁,当温度低于650℃时不能形成微孔结构。污泥的性质不同导致试验结果也可能不同。Chiang Hung-lung等[10]报道:在800℃下热解石化生物污泥30 min,热解产物具有最大表面积,而微孔形成的最佳条件是在900℃下热解10 min。

在烘干过程中,湿污泥能初步形成微孔结构。所以高温分解预先烘干的污泥样品所得的固体残留物的表面积总是比未处理的要高。研究发现[8]:预先烘干的污泥高温分解后得到的固体残留物的表面积随着温度的变化趋势与未预处理的原污泥的趋势大约相同,但预先烘干的污泥不像原污泥在650时表面积下降。

 

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