污泥与高硫煤共水热碳化过程中硫氮形态转化规律

采用高温高压反应釜进行了污泥(SS)和高硫煤(CS)的共水热碳化实验。分别考察了混合比和温度对水热炭中硫氮元素形态转化规律的影响。研究结果表明,经过水热处理后,SS中蛋白质氮(N-A)转化为杂环类氮,CS中吡咯氮(N-5)和吡啶氮氧化物(N-X)转化为吡啶氮(N-6)和季氮(N-Q);SS与CS中硫元素逐渐转化为噻吩硫和硫酸盐。随着CS混合比例和温度的升高,水热炭中含氮芳族杂环(例如N-6、N-5和N-Q)占比增加。另外,随着CS混合比例和温度升高,水热炭中噻吩硫含量分别逐渐增加至22.61%和24.98%;升高温度提高了水热炭中硫酸盐含量,而增加CS混合比例却降低了硫酸盐含量。本研究可为后续SS和CS的资源化清洁利用提供理论基础。     

污泥与褐煤共水热碳化的协同特性研究

污泥的资源化利用一直是国内外学者研究的焦点,对其进行水热提质处理后作为燃料应用是一种潜在的利用手段。本研究主要探讨城市污泥（SS）、脱墨污泥（DS）分别与褐煤（LC）以不同混合比例（3∶7、5∶5、7∶3）共水热碳化时的协同作用,并分析其固相产物（水热炭）的燃料品质。结果表明,当LC/SS、LC/DS混合比例为5∶5时,水热炭产率分别为81.08%和86.00%,并获得了最大协同系数（水热炭产率：1.69%和0.18%;有机物保留率：11.90%和2.64%;碳保留率：4.08%和0.77%）。其中,LC/SS的协同作用总是比LC/DS显著。随着LC添加量的增大,水热炭的热值和煤化程度均随之提高,不仅改善了水热炭的燃料特性,还使得燃烧过程更为稳定且充分。由此说明,通过共水热碳化预处理的方式可以制得较高品质的燃料,从而实现污泥/褐煤的有效利用。     

城市污泥/褐煤共水热碳化产物的热化学转化特性及规律研究

污泥和褐煤通过共水热碳化预处理以制备高品质固体燃料,为污泥和低阶煤的有效处理提供了一种可行方案。本研究主要考察了城市污泥(SS)和褐煤(LC)在不同温度下(120,180,240和300℃)进行共水热碳化制得的固相产物(水热炭)的热化学转化特性和规律,包括燃烧、热解和半焦CO₂气化过程,并分析了这些过程中的协同作用。结果表明,共水热碳化预处理对城市污泥和褐煤的热利用行为有显著影响。一方面,共水热碳化处理后的水热炭相对其计算值具有更高的产率、煤化程度、热值等,同时具有更低的灰分含量。另一方面,混合物水热炭在燃烧、热解和半焦CO₂气化过程均表现出一定的协同作用(促进燃烧和热解行为,降低气化活性),且水热温度在240℃附近时,这种作用最为明显。鉴于热解和气化过程的协同效果均低于燃烧过程,共水热碳化产物被认为更适合用于燃烧。这些发现表明,将共水热碳化改性提质处理与后续热化学工艺相结合,对于能源的产生和有机废弃物的利用都有一定的积极意义。     

污水污泥水热炭化过程中磷的迁移转化特性

利用SMT方法研究了污水污泥水热炭化固体产物中磷的赋存形态和分布。结果表明,水热炭化处理可以使污泥中的有机磷（OP）转化为无机磷（IP）。在实验条件范围内,污泥中的磷主要富集在水热焦中（R_TP＞70%）,且主要以无机磷（IP）形态存在。延长水热炭化时间或升高水热炭化温度,污泥中无机磷（IP）和非磷灰石无机磷（NAIP）均呈逐渐升高的趋势,而且水热炭化温度的影响程度显著大于水热炭化时间。水热炭化时间对磷灰石无机磷（AP）的影响不明显,但AP含量随水热炭化温度的升高而略微升高。结合XRD谱图分析发现,105℃烘干污泥中主要存在磷酸铝盐和磷酸铁盐两种含磷化合物;水热炭化处理促使焦磷酸盐转化为正磷酸盐,且磷在水热焦中基本以最稳定的正磷酸盐形式存在。该研究结果可为污泥的资源化利用及从污泥中回收磷资源提供理论参考。     

水热预处理对剩余污泥有机物释放的影响

针对剩余污泥中有机能源利用率低的问题,研究了水热预处理对剩余污泥有机物释放及污泥厌氧消化过程中累积产气量的影响。结果表明:水热处理是一种有效的污泥预处理方法,当水热温度为200℃、水热时间为1 h时,污泥减量度达76.56%,污泥SCOD为原泥的34倍,大大减少了污泥固相有机物含量。经水热处理后,污泥厌氧消化最大产气量为2 950 m L,较原泥提高了69%;厌氧消化后,水热预处理污泥SCOD减少量为原泥的30倍。     

污泥燃烧过程氮迁移转化机理

焚烧是目前最有前景的污泥处理方法,但焚烧过程中会产生大量NO_x、SO_x等污染气体,增加了烟气脱硫脱硝负荷。关于煤、生物质等燃料燃烧过程氮氧化物排放机理的研究较多,但污泥氮元素的燃烧反应和污染排放研究较少。选取污泥中4种常见氨基酸模型化合物(甘氨酸、谷氨酸、苯丙氨酸和色氨酸),通过密度泛函理论DFT/B3LYP方法,采用6-31G基组进行化学计算。分析比较氨基酸的不同键长和Mulliken布居数,确定相对易断裂的键作为热解的引发键,反应路径的每一步都选择较弱的化学键断裂,逐步优化计算,直到分离出所有NO。对于甘氨酸,设计了3条氮迁移反应路径,对于谷氨酸,设计了5条氮迁移反应路径,对于苯丙氨酸,设计了2条氮迁移反应路径,对于色氨酸,则存在7条氮迁移路径。每条路径的生成物均为NO,比较计算得到的热力学参数,选择从外界吸热最少的路径为氨基酸最佳的反应路径。其中甘氨酸的最佳氮迁移路径需从外界吸收339.21 kJ/mol的热量,谷氨酸从外界吸收的热量为304.92 kJ/mol,苯丙氨酸从外界吸收324.27 kJ/mol的热量,色氨酸氮迁移的最佳反应...     

磷在污泥热解过程中的迁移转化

采用SMT方法研究磷在热解产物中的赋存形态和分布。结果发现,热处理促进污泥中有机磷（OP）向无机磷（IP）转化。热解温度在800℃以下时,污泥中的磷富集在热解后的污泥固体中。随热解温度升高,污泥中全磷（TP）、无机磷（IP）和磷灰石无机磷（AP）的含量均表现出逐渐升高的趋势,非磷灰石无机磷（NAIP）含量则表现出先升高再降低的趋势。热解温度升高会促使NAIP向AP转化,800℃时AP含量达到最大。污泥中NAIP的主要存在形式为磷酸铝盐和磷酸铁盐,磷酸钙盐含量随温度的升高逐渐增加。污泥中正磷酸单酯和焦磷酸盐受热转化为正磷酸盐,热解后的污泥中磷基本以正磷酸盐的形式存在。该结论为污泥的无害化、资源化利用提供了理论支持。     

矿物质化合物对含油污泥焚烧过程中重金属迁移转化的影响

为了厘清矿物质化合物对含油污泥焚烧过程中重金属迁移转化的影响规律,以胜利油田罐底含油污泥为研究对象,在水平管式炉上分别进行了含油污泥添加CaO、Fe₂O₃、Al₂O₃、MgO后的焚烧实验,对获得的焚烧底灰分别进行了重金属总量、浸出特性以及风险性分析。研究结果表明：矿物质在焚烧过程中形成的残渣对重金属均有一定的吸附作用,CaO对Cu、Cr、Pb和As的吸附效果最好,其中Cu的残留率达到93.40%。不同矿物质化合物对重金属浸出的抑制效果不同,其中Al₂O₃对Cr、Zn、Pb、As、Cd的浸出特性表现出了最强的抑制效果,且Zn、Pb和As的浸出率均低于5%。矿物质对重金属风险性影响的规律性不强,CaO和Al₂O₃对降低Zn和As的风险性效果较为显著,Zn和As生物有效态含量均低于18%。     

污泥水热处理过程中氮元素的迁移转化

采用高温高压反应釜在不同温度下进行了污泥水热实验。主要考察污泥中氮元素在水热过程中的迁移转化以及水热温度的影响,并对水热过程中氮元素的迁移路径进行了系统分析。结果表明,氮元素主要分布在固相和液相产物中,并随着水热温度的升高,分布在液相产物中的氮元素逐渐增加。在水热过程中,污泥中的无机氮形态几乎全部转换为氨氮和硝酸盐氮形态;不稳定性蛋白质氮分解为有机氮和氨氮,有机氮可进一步分解为氨氮;而稳定性蛋白质可转变为吡啶氮、吡咯氮、季氮以及腈氮形态,在较高的水热温度下均可再分解为氨氮。因此,随着水热处理温度的升高,污泥中氮元素逐渐从固相中转移到液相中,在液相产物中主要以有机氮和氨氮形态赋存。     

水热炭化制备污泥生物炭的碳固定

采用水热炭化法将市政污泥与印染污泥在不同的水热温度下制备成生物炭,并着重分析了污泥生物炭的碳固定指标与水热温度的关系。结果表明,污泥泥质和水热温度对生物炭碳固定特性影响明显。市政污泥的水热炭化以脱羧为主,而印染污泥则以脱水为主。随着水热温度升高,两种生物炭中碳元素含量、炭产率和碳回收率均下降,但市政污泥生物炭中稳定碳的含量及其产率增加,稳定性提高,而印染污泥则呈现相反的变化趋势。这一结果指出,市政污泥生物炭的碳固定性能明显优于印染污泥,并且应进一步研究不同污泥泥质特征与炭化碳固定效果的关系。     

钙基添加剂对污水污泥在水热炭化过程中磷形态及生物有效性的影响

在污泥的热处置过程中,添加剂的存在会改变污泥中的磷形态从而对后续磷的回收利用产生重大影响。本文综合利用化学连续提取（SMT方法）、SEM-EDS、XRD和ICP-MS等分析测试方法,系统研究了CaCl₂在水热炭化过程中对污泥中磷形态及其生物有效性的影响。研究结果表明,水热炭化可以使污泥中有机磷（OP）向无机磷（IP）转化,同时促进污泥中非磷灰石无机磷（NAIP）向磷灰石无机磷（AP）的转化,CaCl₂的适量添加可以促进上述转化过程。经过水热炭化处理后,污泥水热炭中IP和AP的浓度分别提升了35.6%和63.4%,当添加质量分数为20%的CaCl₂时,污泥水热炭中IP和AP的浓度同时达到最大值,分别为79.62mg/g和75.61mg/g。此时污泥水热炭中可溶性磷在2%CA溶液中的溶解度也达到最大的57.02mg/g,在此条件下,污泥水热炭中磷的生物有效性也达到最高。     

添加木质素对污泥热解过程氮转化的影响

利用热重-质谱联用仪（TG-MS（在线检测添加不同比例木质素的污泥热解和主要含氮气体释放特性,并利用傅里叶红外光谱仪（FTIR（在线检测热解过程固体残焦表面官能团的变化规律,分析木质素对污泥热解过程氮转化的影响,从而揭示氮的迁移机理。结果表明：污泥热解过程NH₃的生成主要来自蛋白质的脱氨作用,加入木质素后热解过程中产生了大量羰基,抑制了氨基酸的分子内环化和分子间缩聚反应,而促进了直链酰胺的生成,最终在OH自由基攻击下转化成HNCO和HCN;NH₃的增加并非来自HCN和OH的反应,而是由未缩合的氨基脱除生成;另外,添加40%左右的木质素对于减少污泥热解过程中NO_x前驱物的排放有积极意义。     

污泥水热处理制备清洁燃料的研究进展

目前,庞大的污泥产生量是困扰工业与市政工程的一个主要问题,对其减量化与能源化利用是污泥处置的关键。其中,水热技术是一种可直接并有效利用污泥等高含水率废弃物的处理手段。本文首先介绍了污泥的特点以及处理现状,然后总结了国内外近年来关于污泥水热处理工艺的发展历程与工业应用情况。此外,着重讨论了水热处理对污泥能源化利用的各项优势,包括：降低NO_x、酸性气体与飞灰等污染物的排放,固定污泥重金属,改善污泥燃料性能,提高污泥脱水性能以及降低其处理成本等。同时,针对不同种类污泥的不同组分在水热处理过程中的反应过程与影响因素进行了详细讨论。最后,对于污泥水热处理能源化利用的发展前景作出展望,指出深入研究污泥与其他废弃物混合水热或焚烧过程中的协同作用是制备高品质燃料的重要途径。     

污泥水热碳化中磷的形态变化及金属浸出行为

在不同温度下进行污泥水热碳化实验,利用Hedley顺序提取法探究水热炭中磷的形态变化,并结合钙、铁、铝的浸出行为进一步解释含磷物质的形态分布。结果表明,磷主要富集在水热炭中,水热碳化促进有机磷(P_o)向无机磷(P_i)转化,NaOH溶解态磷(NaOH-P)转化为HCl溶解态磷(HCl-P)和残渣态(Res-P)。污泥和水热炭中Ca、Fe主要以HCl溶解态为主;Al则由NaOH溶解态转化为HCl溶解态。并且水热碳化过程促使污泥中磷形态从磷酸铝盐(Al-P)、磷酸铁盐(Fe-P)向磷酸钙盐(Ca-P)、磷酸镁盐(Mg-P)转化。通过理论分析,水热炭中Al-P可能以Al₂PO₄³⁺和AlHPO₄⁺络合物为主;羟基磷灰石是Ca-P的主要存在形态;部分磷酸盐可能被铁氧化物或氢氧化物固定。为后续水热炭的回收利用提供理论基础。     

市政污泥水热法脱水试验研究

市政污泥具有水分含量高、脱水困难的特点,水热法工艺可改善其脱水性能,降低污泥含水率,有利于实现污泥的无害化、稳定化及资源化利用.考察了反应温度、pH值、泥浆浓度、保温时间、泥浆过滤温度等工艺条件对污泥脱水效果的影响.结果 显示,在反应温度为180℃、pH值为6.85、生污泥与水的质量比约为2:1、保温时间为30 min...     

Fuel properties and combustion performance of hydrochars prepared by hydrothermal carbonization of different recycling paper mill wastes

The incineration of high-moisture solid residues generated at the recycling paper mills represents an energetically unfavourable method of resource utilization. Alternatively, hydrothermal pre-treatment is considered. In this study, low-value paper sludges from three different recycling streams were hydrothermally carbonized at 205, 225, and 245°C for 3 h. The raw feedstocks and derived hydrochars were analyzed for energy properties, chemical characteristics, surface morphology, functional groups, and combustion performance employing energy densification and mass yield quantification, scanning electron microscopy, elemental analyzer, Fourier-transform infrared spectroscopy, and thermogravimetry. The increase in reaction temperature was reported to cause a decrease in mass yield and an increase in energy densification and calorific values corresponding to 5.98%–49.35% and 10.10%–58.51% for raw fibre rejects and final sludge-derived hydrochar, respectively. Hydrothermal carbonization (HTC) had a non-significant influence on the energy densification of primary clarifier sludge-derived hydrochar. Higher reaction temperatures favoured the rate of dehydration and decarboxylation, leading to hydrochars with lower H/C and O/C ratios, thereby enhancing the overall fuel properties. The low-nitrogen and low-sulphur fuels obtained validated the effectiveness of HTC treatment to produce high-quality cleaner solid fuel. The burnout temperature was mostly reduced with an increase in HTC temperature. At HTC-205 and 225°C, the ignition temperature and the combustion performance increased as a result of the HTC reaction mechanisms. HTC effectively recovered hydrochar with increased carbon content, improved energy densification, and good combustion adequacy. Hydrochar derived from recycling mills may play a role in the energy sector as a substitute for coal or in co-combustion at coal-fired power plants.