Fe_2O_3对污泥热解特性及部分NO_x前驱物转化规律的影响

使用热重-质谱联用(TG-MS)技术研究Fe_2O_3对污泥热解特性以及部分NOx前驱物转化规律的影响,根据TG与DTG曲线,分别求出不同Fe_2O_3含量的污泥在热解过程中的挥发分析出指数Rv.结果表明,Fe_2O_3的加入会抑制污泥热解低温段与中温段挥发分的析出,但是在高温段,由于Fe4N等含Fe化合物的分解,挥发分析出随着Fe_2O_3含量增加而增大;在Fe_2O_3与污泥质量比为0、0.1、0.2和0.3的工况下,随着Fe_2O_3的含量增加,NOx前驱物的释放量先减少后增加,并且在Fe_2O_3与污泥质量比为0.2时,Fe_2O_3对NOx前驱物抑制效果最好.     

生物质在高温下的动态热解及元素析出特性

利用管式炉在800~1 200℃的温度下对麦草、稻草和元宝煤进行高温热解,并通过红外光谱分析仪和氢气分析仪对析出气体的成分进行测量,研究结果表明:麦草和稻草的NH_3,HCN,H_2和主要烷烃气体的析出曲线均呈现为单峰状,其中,H_2最晚析出且析出时间最长;随着热解温度的升高,麦草和稻草的NH_3,CH_4和C_2H_4析出量均逐渐减小,H_2析出量逐渐增大且增速快于元宝煤,当热解温度约为1 100℃时,麦草和稻草的HCN析出量均达到最大值;当热解温度约为1 010℃时,稻草的C_2H_2和C_6H_6析出量最大,而麦草的C_2H_2和C_6H_6最大析出量对应的热解温度分别约为1 030,1 060℃;麦草和稻草析出气体的碳元素质量分数均随着热解温度的升高而逐渐减小,氢元素质量分数在热解温度为1 000℃时最小,氮元素质量分数在热解温度为900℃时最大,麦草析出气体的氧元素质量分数随着热解温度的升高而逐渐增大,而稻草析出气体的氧元素质量分数在热解温度为1 000℃时最大。     

基于分布式活化能模型的污泥热解特性研究

文中通过非等温热重实验,并利用分布式活化能模型,对污泥热解特性与动力学参数随热解温度及升温速率的变化规律进行分析。实验结果表明:污泥热解过程主要分为脱水(室温~205℃)、脱挥发分(205~550℃)及碳类无机物热分解(550~800℃)3个阶段,并随升温速率升高(15、20、50℃/min),挥发分失重速率增大,且热解特征值向高温侧移动;模型计算结果表明:污泥热解活化能分布在70~180 k J/mol之间,随转化率升高,活化能与指前因子均呈先增加再降低的趋势,二者存在一定的补偿效应。     

成灰温度对污泥灰矿物质演变及熔融特性的影响研究

采用STA、SEM、XRD等谱学表征技术对不同成灰温度下的污泥灰样进行理化特性分析。研究表明,低温灰样仍含有残余未燃尽物而呈黑棕色,矿物质成分变以方解石、石英以及焦磷酸盐为主,随着成灰温度升高,灰样中的未燃尽物逐渐燃烧分解而逐渐变为铁红色,并形成较多晶枝结构,直至熔融,同时矿物质成分变化显著,主要以中长石类、硬石膏、赤铁矿以及磷酸正盐为主。同步热分析实验表明,随着受热温度升高,不同成灰温度下的灰样均出现了吸附水、结晶水析出,污泥灰残余有机物燃烧分解,白云石、方解石和白云母分解,以及随后的硬石膏分解等失重阶段,而且成灰温度越低,终止失重质量越大。由于低温灰样保留了较多的污泥原有特征,因此吸热量大于高温灰样。     

成灰温度对污泥灰矿物质演变及热力学特性的影响研究

采用STA、SEM、XRD等谱学表征技术对不同成灰温度下的污泥灰样进行理化特性分析。研究表明,低温灰样仍含有呈黑棕色的残余未燃尽物,矿物质成分以方解石、石英以及焦磷酸盐为主,随着成灰温度升高,灰样中的未燃尽物燃烧分解而逐渐变为铁红色,并形成较多晶枝结构,直至熔融,同时矿物质成分变化显著,主要以中长石类、硬石膏、赤铁矿以及磷酸正盐为主。同步热分析实验表明,随着受热温度升高,不同成灰温度下的灰样均出现了吸附水、结晶水析出,污泥灰残余有机物燃烧分解,白云石、方解石和白云母分解,以及随后的硬石膏分解等失重阶段,而且成灰温度越低,终止失重质量越大。由于低温灰样保留了较多的污泥原有特征,因此吸热量大于高温灰样。     

废橡胶和废纸热解过程NOx前驱体的生成

在固定床反应器中热解废橡胶和废纸,考察在不同热解终温和加热方式下NOx前驱体(HCN和NH3)的生成特性.研究结果表明,随着热解终温的升高,原料中的N转化为HCN和NH3的比例不断增加.以废橡胶为例,HCN和NH3的产率从400℃的0.5%分别增加到1000℃的7%和9%;加热方式对HCN和NH3的产率有明显的影响.实验条件下,非等温热解时,废橡胶在所有热解温度下HCN和NH3的产率均高于等温热解时的产率.     

污泥热解中残焦表面官能团结构演化特征

针对污泥热解过程生烃能力,研究了不同温度下污泥热解残焦表面官能团结构变化特征.结果表明:温度对污泥热解残焦表面羟基、—CH_3和—CH_2键、羰基、碳碳双键等官能团热裂解演化程度影响较大,但对于其他杂原子团影响较小;550,℃以下低温热解脂肪结构裂解程度较大,芳香结构裂解程度较小;随着温度升高,受芳香结构裂解、芳构化及缩合效应综合影响,残焦富氢程度振荡变化;相比低温热解,高温下污泥有机结构芳构化和缩合程度较高、残焦脂肪链长程度提高、但残焦支链化程度变化不大.     

小球藻与准东煤共热解特性及NO_x前驱物释放规律

利用热重-质谱联用(TG-MS)技术对小球藻与准东煤进行共热解实验,研究小球藻质量分数分别为20%、40%、60%时混合物热解特性及主要NO_x前驱物的释放规律。研究结果表明:小球藻与准东煤共热解存在协同作用,可促使两种物质热分解的起始温度和终止温度降低,增强各自热解活性;准东煤热解时部分HCN会转化为NH_3,而小球藻热解时会有部分NH_3转化为HCN,共热解时促使上述两种相反转化趋势的因素同时存在且相互影响,从而使NH_3和HCN释放总量迅速减小;当小球藻质量分数为20%时,小球藻与准东煤共热解协同作用最强,且对NH_3和HCN释放量的抑制作用也最大。     

铁基载氧体的污泥化学链气化过程中氮迁移热力学模拟与实验研究

基于吉布斯自由能最小化原理,采用HSC Chemistry 6.0软件,对污泥化学链气化过程中NO_x前驱物（NH₃和HCN）与Fe₂O₃载氧体的氧化还原行为进行了热力学模拟。基于污泥热解实验中NO_x前驱物的含量,计算载氧体与污泥的摩尔比（OC/SS）对NH₃、HCN以及NH₃和HCN混合气氧化过程的影响。热力学模拟结果表明：Fe₂O₃能显著促进NO_x前驱物的氧化和裂解,主要生成N₂,几乎无NO_x生成;当NH₃、HCN以及混合气（NH₃和HCN）分别作为还原剂时,其最优OC/SS分别为0.02、0.04和0.05;由于HCN还原性强于NH₃,其氧化速率较快。基于Fe₂O₃/Al₂O₃混合物（FeAl）载氧体,实验对比了污泥化学链气化与污泥热解过程中NO_x前驱物的释放特性,发现Fe₂O₃能显著降低烟气中NO_x前驱物的产率,NH₃和HCN产率分别下降32%和62%。实验结果与热力学模拟结果一致。     

城市污泥热解特性及热解过程中Pb、Cd迁移特性

以城市污泥为研究对象,考察了其在不同升温速率下的热解特性、热解反应动力学特征以及重金属Pb和Cd在热解过程中的迁移规律。通过热解失重曲线图得出,污泥的热解过程可分为水分析出阶段、挥发分析出阶段和半焦分解阶段。提高升温速率会导致污泥的失重量减少,挥发分最大失重速率增加。根据Coats-Redfern积分法计算结果得到,挥发分析出的第1阶段和第2阶段的反应级数分别为1和2,且不同升温速率下挥发分析出的第1阶段和第2阶段下的活化能总体上变化不大。通过管式炉热解实验可知,在热解温度为400、500、600和700℃范围内,重金属Pb和Cd的残留率随热解温度的升高均表现为先上升后下降的规律。Cd的残留率在热解温度为500和700℃时分别达到最高(41.64%)和最低(2.92%),而Pb的残留率随温度变化不大,均为93%以上。热解温度为400~500℃,Cd和Pb挥发较少。     

生物质热解过程中氮转化规律的试验研究

采用TG-FTIR联用技术在氩气氛围下研究稻草、麦秆、杨木3种生物质热解过程中4种主要的含氮组分NH3、HCN、HNCO及NO的释放特性,并考察焦炭-N的产率。结果表明:在所选取的3种生物质热解过程中,4种含氮组分的释放趋势均与TG-DTG曲线一致,热解后期(温度高于500℃)释放较少;不同生物质热解,4种含氮组分的释放规律有较大差异,且相对产量分布不同。3种生物质NH3和HCN的相对产量明显高于HNCO和NO,NH3最高,HCN次之,两者之和占70%以上。随着生物质中H/N质量比的增大,NH3的相对产量增加,HCN的相对产量先增加后减少,HCN/NH3物质的量之比逐渐减小。杨木热解过程中气相氮释放较少,燃料氮81.50%存在于焦炭中,而稻草和麦秆中大部分燃料氮随挥发分析出,焦炭氮产率分别为29.97%和33.45%。     

基于不同组分的海藻热分解机理研究

为了深入探究海藻生物质的热解机理,采用表征分析和热重-质谱分析展开对海藻中多糖、蛋白质、灰分这3种主要组分参与热解规律的研究。结果表明:多糖和蛋白质的热失重范围分别为175~310℃和300~350℃;而灰分使海藻热解过程中最大热失重速率增大,且脱灰使失重峰对应的温度区间向低温段偏移。海藻热解过程中主要气体的释放规律为:由于多糖、蛋白质和灰分在参与热解过程中均产生CO_2,其释放规律曲线与热失重曲线相对应。而SO_2气体的释放主要来自于多糖中硫酸基的热解。由于多糖及脱灰后海藻不含或含有少量蛋白质,所以热解过程中无NO_2释放。     

二次热解对污泥热解产物影响的研究

针对上海市污水污泥,以提高热解气体、抑制热解焦油为目标,利用两段固定床反应器,研究二次热解温度对污泥一次热解挥发分的热解特性的影响。利用气相色谱定量研究不同二次热解温度下热解气中H2、CO、CO2、CH4的含量变化。利用全二维气相色谱-飞行时间质谱联用仪(GC×GC-TOFMS)定性研究不同二次热解温度下热解油化学组分。结果表明:二次热解温度高于600℃时,热解气体产率明显增加,液体产率明显减少。这表明,在仅改变上段固定床二次热解温度的条件下,一部分污泥热解油通过高温二次热解转化为气体。其中CH4是受二次热解影响最大的气体,相比于一次热解,当二次热解温度高达700℃时,CH4的累计释放量增加了7.0倍,这表明热效应明显促进了污泥热解挥发分的脱甲烷反应。为了更好地揭示污泥热解油转化成热解气的机理,运用GC×GC-TOFMS分析污泥热解油中上千种化合物。我们猜测长链脂肪含氮化合物主要通过脱甲烷反应产生CH4。酮类通过脱羧反应生成CO。     

污水污泥在流化床中快速热解制油

采用流化床污泥热解制油系统,在300～600℃进行污泥快速热解试验,研究了污泥在不同热解温度下的热解特性.结果表明,随着反应温度的提高,残炭的产率减少,不凝结气体产率增加,热解油产率在300～500℃以下随着反应温度的升高逐渐增加,在500℃时达到最大值46.31%,随后逐渐减少;不凝结气体主要由CO_2、CO、H_2、CH_4、C2H_4、C2H_6、C_3H_6和C_3H_8等组成,各成分随反应温度的升高呈规律性变化;通过GC-MS联用分析技术,对热解油中的29种含量(峰面积百分比)大于1%的成分进行了定性分析,400℃时热解油中酯类的含量(峰面积百分比)占绝对优势,而在600℃时,烯烃的含量(峰面积百分比)最多,各种组分的分布较400℃时均匀.     

城市污泥热解及能量平衡分析

为了研究污泥热解特性,利用铝甑反应器对城市污泥进行了热解实验。实验结果表明:随着温度逐渐升高,热解程度逐渐加深,高温时热解液体的收率略有降低;热解过程可分为3个阶段,即水分析出阶段、挥发分析出阶段和残留有机物继续分解碳化阶段。在热解实验基础上进行能量平衡分析,结果发现,采用热解油气循环供热,既可以完全满足污泥热解过程的能量需求,还可为干燥过程节约51.43%的能量。     

城市污水污泥热解特性及动力学研究

采用热重分析仪与傅里叶红外光谱仪对城市污水污泥进行实验,考察了反应过程及逸出气体产物,求解了热解表观动力学参数。研究表明,污泥样品在N2、CO2和N2+O2气氛中分别发生的热解、气化和燃烧反应,反应过程的特征参数不同;在N2中主要热解温度范围为200~560℃,反应过程在600℃基本完成;随着升温速率增加,热解最大失重速率提高;污泥样品在N2中的热解过程依次析出H2O、CO2、CH4和CO等气体;污泥样品热解不同反应阶段具有不同反应机理和动力学参数,表观活化能在60~100 kJ/mol范围内。     

TG-FTIR研究垃圾衍生燃料轻质气体析出特性

通过热重红外分析仪(TG-FTIR)研究垃圾衍生燃料(refuse derived fuel,RDF)在升温速率为10,℃/min、20,℃/min、30,℃/min、40,℃/min、50,℃/min及RDF与褐煤在质量比为0∶10、3∶7、5∶5、7∶3、10∶0时轻质气体的析出特性,利用Coats-Redfern法,求得热解动力学参数.研究发现,不同升温速率及不同质量配比时RDF热解过程主要分为3个阶段:生物质组分热解(173~433,℃)、塑料类物质热解(402~566,℃)及无机碳酸盐热解(大于650,℃).热解过程轻质气体CO_2、CH_4、CO析出均表现为双峰特性;CO_2的释放集中在低温段(200~300,℃)和高温段(600~800,℃),CO的释放集中在低温段(300~400,℃)和高温段(600~800,℃),CH4的释放集中在中温段(300~600,℃).随着升温速率的增加,轻质气体CO_2、CH_4及CO析出峰值浓度增加.RDF与褐煤共热解过程存在协同作用.     

污水污泥热解和燃烧特性的实验研究

采用热分析的方法研究了2种污泥的热解和燃烧特性。实验结果表明,热解和燃烧都可以划分为3个阶段。第1阶段是水分析出阶段。第2个阶段是污泥失重的主要阶段,燃烧失重是由于有机物的分解燃烧和固定碳的燃烧引起,热解失重是由于有机物的分解引起。第3阶段中,燃烧过程失重主要是无机物引起,热解过程失重是由于无机物和残余有机物引起。在燃烧和热解主要阶段(第2阶段)内,污泥燃烧的反应速率总体上大于热解的反应速率。污泥热解和燃烧在第2和第3阶段是放热过程。     

生物质快速热解气相成分析出规律

利用恒温沉降炉对秸秆、稻壳、木屑及一种烟煤煤粉在900、1000、1100℃ 3个温度进行了快速热解试验,对4种燃料在快速热解过程中气相成分析出的规律进行了研究.生物质成分中高的挥发分、氧、H/C决定了其快速热解会取得比煤粉高的气相产率,木屑的气相产物产量最多,秸秆次之,稻壳最低.4种燃料热解气相产物中的主要成分是CO、H_2、CO_2、CH_4,少量的G_2H_4、C_2H_6、NO、HCN、COS,生物质和煤粉在快速热解及短的停留时间内,其析出的氮前驱物为HCN.快速热解析出的气相成分产量及组分分布与燃料种类、热解温度、热解停留时间相关.几种物料共同的规律是随停留时间的延长,气相产物的量不断地增加,当气相产物的产量趋于平稳时,相应的气相产物的各组分趋于恒定,这一停留时间标志着热解过程的结束,相同温度条件下煤粉的热解速率要慢于3种生物质.     

城市污泥耦合锯末共热解特性及动力学分析

为实现城市污水污泥与锯末共热解的工业应用,利用热重分析仪对污泥耦合锯末共热解过程进行了实验与理论研究,揭示了锯末添加比例、升温速率对污泥热解特性的影响,并基于Coats-Redfern法,结合20种常见固体热解机理函数确定了污泥耦合锯末共热解过程最优热解动力学模型。结果表明:锯末相比污泥具有更低的表观活化能,最大失重速率是污泥的4倍;锯末的添加使得热重分析(TG)曲线向下偏移,最大失重速率明显增大,挥发份析出特性变强;随着升温速率的增大,固态残渣增加,最大失重速率减小,不利于热解反应的进行;按7∶3比例混合的污泥锯末耦合热解微分热重分析(DTG)曲线峰前(230~350℃)表观活化能为38.81 k J/mol,最优动力学模型为D_5-3D扩散模型;峰后(350~500℃)表观活化能为29.93 k J/mol,最优动力学模型为C~2-化学反应模型。