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吉建斌

 
 
 

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污水污泥高温热解技术研究现状与进展(下)  

2018-01-07 06:48:04|  分类: 废水污泥处理和资 |  标签: |举报 |字号 订阅

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图4给出了预先烘干的污泥样品和原污泥样品热解2 h所得固体残留物的BET表面积同热解温度之间的关系曲线图。这可能是因为在低温烘干时,由于碳和氧的相互作用导致污泥表面生成了一种热硬化性氧化物,从而在550~650热解过程中抑制了中间熔融产物的形成。

污水污泥高温热解技术研究现状与进展(下) - 不在眉头愁 - 吉建斌的网易博客

污泥高温分解后,存在炭基中的重金属对自然析出有相当强的抵抗力。试验表明[28]:如果微波高温分解时温度达到足够高,固体残留物可以被玻璃化。微波热解产生的固体残留物质,比用电炉热解产生固体残留物质有着更小的孔隙。扫描电镜图(如图5所示)也表明了微波热解产生的固体残留物有着玻璃质结构(与电炉高温分解固体残留物的机构大不相同),能够使重金属固定在玻璃质的矩阵结构中,比电炉高温分解固体残留物有着更强的抵抗重金属浸出的能力。

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污水污泥高温分解能得到含炭很高的固体残留物质。在450℃?550热解时,残留物中的含炭量由51%上升到66%,即使温度高达850℃,仍然不能热解完全,以含炭物形式存在的挥发性物质大约占总重量的4.6%[30]。微波高温分解污泥比用电炉高温分解更加彻底,热解后的剩余物呈碱性,但烘干的污泥呈酸性。高温热解后残留物和烘干后干燥污泥的pH值分别为6.6和8.6。一般认为[8,31]:随着温度的增加,有机物的表面酸性含氧物质减少,从而导致pH值增加。由于污水污泥高温分解后得到的是呈碱性的多孔的含炭残留物,因而能被用作吸附剂,可以用来吸附酸性物质和其它一些污染物。然而,热解固体残留物热解残留物还含有很多对吸附能力不起作用的杂质[32],所以热解固体残留物的吸附能力不是很理想,但是由于来源便宜,因而可以作为一种廉价吸附剂进行使用。

3.2 液体产物

污泥中各种有机质的化学键在不同温度下发生的断裂情况不同。在450后,裂解产生的重油发生第二次化学键断裂,形成了轻质油。在525后,形成更轻质的油和气态的烃。Lilly Shen[33]报道,低温阶段产生的重油,当温度高于450后,在较短的停留时间内发生裂解,形成轻质油。温度为525,气体停留1.5 s时,获得最大热解油量,大约为污泥总量的30%。

在较低的温度下,高的加热速率使裂解反应更有利发生。从而产生更轻的化合物,这就导致了液体产物的增加。然而,在较高的温度下,所有可以凝缩的化合物已经被释放,其加热速率的影响便可以忽略不计。Inguanzo M.[30]报道,加热速率只在较低的热解温度下才具有很重要的影响。在450时,加热速率为60/min时所得的液体成分的量和轻质油比例都比5/min 要高。当温度高于650时,加热速率对液体的产量基本没有影响。

微波高温分解污水污泥过程中,使用石墨和焦炭作为微波能吸收物,所得到的热解的定性组分是相同的。试验结果表明[27]:在相同温度条件下(1000),微波高温分解得到的热解油比传统法热解得到的热解油含有更多的脂肪物和氧化物,并且能保存污泥中原有的某些功能团。该过程中未形成大分子量的PAHs,因而产生的石油毒性很低。然而,传统法高温分解时,很容易发生二次反应,由此形成六环PAHs和一些环境污染物。在微波高温分解过程中,用石墨代替焦炭有利于大分子量的脂肪链裂化为较轻的物质,从而生成的1-烯烃比n-烷烃多,且能提高单核芳香族物质的百分含量。

热解油具有很高的热值,因而更适合作为燃料。若将热解得到的油类进一步处理,将其转化为直链烃和降低其粘度后再作为燃料使用则更有实用价值。有人建议[8]:用来自污泥热解反应中的焦炭作为催化剂,在热解油转化为直链烃和降低粘度的时候有很大效果。Luengshie Je等[34]在污水污泥的热解过程中,用钠化合物和钾化合物作为催化剂,不仅提高了热解转化率和液态产品的产量,还提高了热解油的质量。

3.3 气体产物

污水污泥高温分解的产物中,气体主要由CO2、CO、H2、O2、N2和CxHy组成。试验表明[30]:热解温度在250~350之间时,气体产物中以CO2为主。CO2量随着温度升高而减少,而CO和H2量在整个热解过程中不断升高。600左右时,气体产物中CH4量达到最大,C2H4和C2H6量则在450左右达到最大。热解过程中,除CO2、C2H4和C2H6外,其他所有气体的浓度随着加热速率的上升而增加。

当污泥热解温度较高时,如650或以上,高加热速率和较长的停留时间有利于油转化成气态产物。当污泥热解在高温电炉中进行时,热量由外部传入污泥内部,所以反应器壁的温度比污泥样品内部的温度要高,挥发分在高温区的停留时间比较长,为二次裂化反应创造更为适宜的条件,有利于更多的油转化为气体产物。所以,热解油的产量有相当大的减少,而气体产量有很大提高。微波热解污泥过程中,电磁场穿透污泥样品,污泥样品内部被直接加热而迅速达到高温,此时反应器壁仍然停留在比样品低的温度。这样导致挥发分在热区停留的时间相当短,不利于二次裂化反应发生。因而,微波高温热解污泥产生的不可凝气体量低于电炉高温热解污泥所产生的量。

电炉法热解污泥的气体产物中轻烃的含量较高,而微波热解产生的气体中H2和CO含量较高,热解温度为1000产生H2、CO含量是700时的2倍[27]。试验表明[7]氧化钙对挥发组分的二次裂解反应有催化作用,导致热解油转化为H2和其他气体,这对增加氢气产量起重要作用。

4 结语

热解法作为一种处置彻底、速度快的污泥处理方法,正受到广泛重视。它有其它方法所不能比拟的优点:(1)能处理各种各样的污水污泥,不受污泥内含物的影响;(2)污泥热解产物中的污泥炭和油类均可作为燃料回收使用,其中污泥炭又可与其它固体燃料按一定比例混合后,形成合成燃料。所以它能替代不可再生能源,满足可持续发展的要求[35]。但热解法也有不足之处:(1)固体体积的减少不如焚烧法减少的多;(2)裂解产生出来的液态产品的燃烧会产生对环境有害的物质;(3)热解技术没有焚烧法完善;(4)热解机理和动力学研究方面还有很多工作需要进一步探讨,在工艺和设备的改进方面有待进一步突破。我们相信随着研究的深入和技术日益完善,热解法将成为污泥处理的重要方式。

参考文献

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