基于微波诱导定向加热的污泥新型热解方法能耗分析

针对现有污泥热解技术耗时耗能、炭性能受限等难题,提出微波诱导协同热解的新型技术思路,即仅先用常规初级热解获得微波强化吸收的热解基体,再用微波诱导其高能位点效应,以期低能耗制备较高性能的污泥炭。对样品进行介电特性、工业分析等多种测试,在简要分析并验证该思路可行的基础上,探寻其能耗机制,以期为实际应用提供参考。结果表明,通过常规700℃热解10 min的热解基体,介电特性提高约22%,可在微波900 W中5 min升高到平均900℃;不仅提高炭性能,而且比常规700℃热解60 min节能省时达50%以上,这主要归因于对热解过程整体用时的显著缩减与微波能的高效利用。研究思路为低能耗制备高附加值污泥炭奠定工艺应用基础,有望实现污泥大规模资源化处置。     

微波热解技术制备的生物炭在废水处理应用的研究进展

水体污染是当今重大的环境问题，吸附法是一种清洁高效的废水处理方法，生物炭因具有良好的吸附能力常被作为吸附剂进行应用。生物炭制备技术有多种，其中微波热解技术因效率高、原料受热均匀、成炭率高、制得的生物炭比表面积大、官能团丰富而被应用。通过介绍微波热解生物炭的制备方法，探讨了微波热解温度、微波功率及停留时间等参数对生物炭制备和吸附的影响，总结了微波热解生物炭对废水中重金属、有机污染物和染料污染物的处理研究现状，阐明了微波热解生物炭所具备的优势，并对其在水中污染物去除的后续研究及推广应用进行了展望，以期为废水处理的研究应用提供思路。     

不同热解条件下制备的污泥炭低温还原NO

以市政污泥为原料热解制备污泥炭,开展了污泥炭催化还原NO的实验研究。考察了不同热解温度（400℃、600℃和800℃）和污泥初始含水率（0、66%和80%,质量分数）条件下热解制备的污泥炭的脱硝性能。研究表明,污泥炭中包含大量铁元素（41.1mg/g）,提高热解温度可促进污泥炭中亚铁化合物（Fe₂P和FeS）的生成,使铁元素具备催化还原NO的能力,从而显著提高污泥炭的脱硝效率。提高污泥热解初始含水率可显著提高污泥炭比表面积,污泥炭对NO的低温还原能力也随初始含水率提升而显著提高。通过对污泥炭的比表面积、X射线衍射（XRD）和傅里叶红外（FTIR）分析表征,结果表明污泥炭中亚铁化合物的生成是影响NO转化的关键影响因素,而比表面积和表面官能团类型对污泥炭脱硝反应并无明显影响。     

热解时间对污泥生物炭活化过硫酸盐的影响研究

污泥热解制备生物炭是一种污泥有效处理处置与资源化利用方法。通过控制热解时间,调控污泥生物炭表面的活性位点,改变过一硫酸盐（PMS）体系中的活性物种组成,可实现环丙沙星（CIP）的高效降解。研究发现,热解温度为700℃、热解时间为120 min时,污泥生物炭具有较高的PMS活化性能,对CIP的去除率近90%。机理探究表明,¹O₂在体系中发挥主要作用。C==O、吡咯氮和—OH位点有利于¹O₂产生,C—O、吡啶氮、晶格氧和Fe位点促进·OH和SO₄^·-释放,石墨氮可促进PMS活化产生SO₄^·-。     

剩余污泥微波热解技术研究进展

剩余污泥的产量大,处理处置费用高,已成为困扰污水处理厂的难题。在惰性条件下热解剩余污泥生成生物油、生物气以及污泥生物炭等产物,可实现能量和资源的同步回收,应用前景极为广阔。本文总结了目前对于污泥特性、热解温度、升温速率、微波吸收剂、化学添加剂、载气对剩余污泥微波热解的影响的研究,并探讨了污泥热解机制,为微波热解剩余污泥提供了关键技术的参数,利于提高污泥热解效率,优化热解产物品质,为促进污泥微波热解系统化、产业化提供技术支持。同时指出了污泥微波热解受限于微波热解设备,致使其处理投资成本高及处理量小,为污泥微波热解工业化提出了巨大的挑战。最后展望了污泥微波热解的发展趋势及应注重攻克的关键问题。     

污泥衍生生物炭研究进展

介绍了污泥处理处置的现状,分析了污泥热解工艺以及其他工艺的优缺点,说明了污泥热解污泥衍生生物炭制备过程的影响因素。重点综述了污泥衍生生物炭在污泥物催化降解、电化学储能和转化等全新领域的潜在应用,讨论了污泥中无机小分子和金属氧化物等成分对生物炭功能特性的影响。最后提出了污泥衍生生物炭实际应用所面临的问题,并对未来作出展望。     

不同粒径污泥热解制备生物炭及其特性分析

以3种不同粒径污泥为原料,采用固定床反应器在500℃下制备生物炭。考察了3种不同粒径污泥的热解特性及其生物炭中重金属的分布特征,并运用TCLP对污泥及其生物炭的重金属浸出毒性进行了系统研究。结果表明,随着污泥粒径的增大,热解生成的生物炭和热解气产率均有所降低,而焦油产率则逐渐升高;在3种不同粒径污泥热解过程中,重金属除As外主要富集在固体产物生物炭中,相对富集系数均高于90%。随着污泥粒径的增大,污泥中Cu、Zn和Ni的含量增加,而Cr和Pb的含量则减少;虽然3种不同粒径污泥制备的生物炭中重金属的浸出规律不一致,但是污泥热解可以有效抑制重金属的浸出。生物炭中除As和Zn外其他重金属元素的浸出率均低于3.0%。     

城市污水污泥低温催化热解制油研究

污泥低温催化热解是一项具有污泥处理与能源回收双重性质的资源化技术。本文采用低温热解技术处理城市污水污泥,比较了在有/无催化剂条件下,停留时间和反应温度对热解产物产率及特性的影响。结果表明,催化剂的使用提高了污泥热解油的产率和品质,降低了产炭率。最大产油率所需的最优温度从450℃下降到400℃,最大产油率从34.53%增加到38.71%。     

内蒙褐煤微波热解特性研究

研究了内蒙褐煤、热解半焦及煤-半焦混合物在微波场中的升温特性,并对比研究了300℃~750℃温度范围内,内蒙褐煤微波热解和常规热解的特性.研究表明,内蒙褐煤是一种弱微波吸收剂,需添加一定量的半焦作为微波吸收剂才能进行热解反应;在添加10%~30%半焦的范围内,随着半焦添加量的增加,煤-半焦混合物的热解升温速率逐渐增加,焦油和气体产率增加,半焦和热解水产率降低;在添加30%半焦,终温保温20min的条件下,与常规热解相比,微波热解油、半焦和热解水的产率降低,气体产率增加,其中CO和H2产率显著提高.     

污泥颗粒炭流化床深度处理焦化废水中的氨氮

以焦化废水处理系统生化段产生的污泥为原料,采用热解法制备了污泥颗粒炭(粒径2～3 mm),在流化床吸附装置中研究了对焦化废水的深度处理。随着热解温度从300℃升高至700℃,污泥炭产率逐渐降低,而BET比表面积在700℃时达到最高的138.8 m2/g。此外,考察了主要参数对污泥颗粒炭流化床吸附去除焦化废水中氨氮的影响。结果表明,最佳的热解温度为700℃,污泥炭在流化床中对氨氮的吸附平衡时间为240 min,最佳的污泥炭投加量为50 g,当pH在6～8范围时吸附效果最好。在优化的条件下,焦化废水中氨氮的去除率达到91.3%。     

小麦与玉米秸秆的热解过程及其动力学分析

采用热分析仪,通过研究在氮气气氛下,升温速率分别为20、40、60和80℃/min时小麦和玉米秸秆的热解过程得出：小麦和玉米秸秆的热解过程可以分为预热解、快速热解和慢速热解三个阶段;随着升温速率的升高,热解最大速率增加,其对应的温度向高温区移动,活化能和指前因子增大,动力学拟合直线的相关系数降低。     

胜利褐煤快速热解特性

为考察热解温度对热解产物品质及挥发分残留的影响,在10 kg/h自制褐煤快速热解提质试验设备上,以胜利褐煤为试验原料,考察了400~900℃热解提质温度对热解产物产率、气体产物组成、半焦微观结构以及残余挥发分的影响。结果表明,随着热解温度的升高,半焦产率逐渐降低,气体产率升高,焦油的产率先升高后降低,700℃时焦油产率最大;热解气体中的CO_2随着热解温度的升高逐渐降低,H_2和CO含量随着热解温度的升高而增加;随着热解温度的升高,挥发分不断释放导致半焦含氧官能团以及高活性的小的缩合芳环减少;热解温度≥700℃,半焦残留的挥发分较低,固定碳较多,基本满足电石用焦的要求。     

污水污泥气化焦油热解特性的研究

利用热重分析方法,对由5种不同性质污泥在气化温度600℃、700℃和800℃下进行外热上吸式固定床空气气化时制得的9种污泥气化焦油的热解特性进行了研究.结果表明:9种气化焦油热解时均分为3个阶段,分别是水和低沸点有机物的挥发、有机物挥发分解以及残余物分解.污泥厌氧消化和污水处理工艺中的厌氧过程均使800℃下制得的气化焦油中低分子有机物含量增加,但对第二阶段挥发的轻质及重质非极性有机物总含量的影响很小,且使气化焦油的热解特性变差.气化温度对未消化污泥气化焦油热解时第一和第二阶段失重率的影响变化规律与消化污泥气化焦油的不同,且气化焦油的热解特性优于污泥热解焦油.热解动力学研究表明,9种气化焦油热解机理函数彼此不完全相同,且热解活化能均较低,具有良好的热解特性.     

不同温度区间内污泥热解气固相产物特征

对城市污水污泥（简称污泥）进行工业分析和热重分析,考察污泥的基本组成和热重特性;采用气相色谱（GC）检测了不同热解温度区间内污泥热解生成的气体产物成分,并利用SEM和BET分别分析了不同热解终温下裂解炭的形貌特征和比表面积。结果表明：污泥热解可以分为水分析出阶段、挥发分析出阶段和焦炭化阶段;不同热解温度区间内污泥热解气体产物的组成有很大差别,热解温度350℃后H₂在热解气中的含量快速增加,CH₄含量在350～450℃时达到最大值,而CO主要在热解温度为350～750℃时生成,CO₂含量随着热解温度的增加迅速下降;随着热解终温的不断升高,裂解炭结构变得越来越疏松,比表面积也随之增大,750℃达到最大值55 m²·g^-1。     

神木烟煤热解产物分布及主要元素的迁移规律

在石英管固定床反应器中对神木烟煤进行热解实验,研究了热解温度对煤热解产物分布和C, H, O, N, S元素在热解产物中分配的影响. 结果表明,在500?900℃范围内,随热解温度升高,半焦产率下降,气体产率增大,焦油产率先增大后降低,600℃时达最大值9.2%(ω);半焦中C, H, O和N元素迁入量下降,S元素迁入量先降低后略有增大,在700℃时达最小值67.0%;热解气中C, H, O元素迁入量增大,N元素和S元素迁入量先增大后减小,分别在800和600℃时达最大值28.8%和27.9%;焦油中C, H, O元素迁入量先增大后降低,均在600℃时分别达最大值9.3%, 14.0%和7.2%,N元素和S元素迁入量缓慢增加;热解水中H和O元素迁入量先增大后略有降低,在700℃时分别达最大值14.5%和48.5%.     

糠醛渣热解特性及热解挥发产物对其燃烧烟气原位控氮作用

通常,具有高含氮资源禀赋生物质在能源化利用过程中需控制NO_x排放。解耦燃烧是可适用于高含水、高含氮燃料的低NO_x燃烧技术,其对NO_x生成的抑制效果优于其他燃烧技术。为揭示解耦燃烧中热解挥发产物的原位控氮潜力、发展双流化床解耦燃烧技术,以糠醛渣为原料,借助固定床装置和双流化床装置,分别开展其热解特性和双流化床解耦燃烧近实际工况模拟研究。具体地,首先在固定床反应器中考察糠醛渣在不同温度下的热解产物分布,继而借助双流化床反应器考察了热解在线挥发产物对热解半焦同步燃烧烟气中NO_x的还原效果。结果表明：在500~700℃热解温度区间内,随温度的升高,半焦产率逐渐减少,从45.2%下降到39.8%;气体产率呈明显上升趋势,从12.4%上升到22.5%,CO、CH₄、H₂等还原性组分产率增加显著;焦油产率略有降低,从15.9%降低到12.9%;水分产率变化不大。双流化床解耦燃烧实验中,糠醛渣热解挥发产物对热解半焦同步燃烧所产烟气控氮效果良好,热解挥发产物对半焦燃烧烟气NO_x减排效果主要受热解温度、二次风占比影响,总过量空气系数ER=1.3,热解温度600℃、二次风过量空气系数ER₂=0.5时,糠醛渣热解挥发产物对相同热解条件下生成的半焦燃烧（900℃,过量空气系数ER₁=0.8）所产烟气原位控氮效果达到最优,NO_x减排率为54.80%。这表明,可通过控制热解挥发分产物产率、氧化程度,充分发挥挥发分的NO_x还原能力,从而明显改善解耦燃烧原位控氮效果。     

城市污泥慢速热解过程中氮的转化规律

利用热重-质谱联用(TG-MS)技术研究城市污泥慢速热解特性及含氮气体产物的生成规律,同时利用原位红外光谱仪实时检测固体表面官能团的变化。研究结果表明:初沉污泥在500℃之前热解已基本完成,二沉污泥由于添加了矿物质盐类,在700℃左右仍有一个较大的失重峰;二沉污泥热解过程HCN和NH₃总生成量均小于初沉污泥,即二沉污泥所加矿物质抑制了HCN和NH₃释放;但温度大于400℃时所加矿物质对HNCO生成具有一定促进作用;污泥中蛋白质热分解会产生环酰胺类物质、含氮杂环化合物和腈类物质,并最终转化为HCN,这是污泥热解过程中HCN的主要来源;400℃以下NH₃主要来自铵盐分解和HCN转化,蛋白质热分解对于NH₃生成贡献很小;400℃以上基本检测不到NH₃生成,即较高温度下挥发分二次反应对NH₃生成几乎没有影响;300~480℃,污泥中木质素裂解产生了大量含氧自由基,促使HCN转化为N₂O,HNCO则最终转化成了NO。     

大庆罐底油泥热解特性及污染物释放特性

大庆罐底油泥属于高含油污泥,资源回收潜力大,同时具有黏度大、黏结性强、成分复杂、自然沉降慢等特性。本文对大庆油田高含油污泥的热解特性及污染物释放特性进行研究,分别测试了不同热解终温和升温速率下气/液/渣三相产品的品质和成分。结果表明,热解气中C₂H₄的释放量明显高于其余气体。CO₂气体仅在700℃处出现一个峰值,H₂在700℃之前释放量偏低,在700~800℃之间大量释放;热解终温和升温速率的增加会导致热解油低链烃类的大量生成,中链烃类呈现先增加后降低的趋势;热解终温会对固相产物中的SiO₂和CaCO₃产生一定的影响,而升温速率对固相产物几乎无影响。采用在线烟气分析仪测试了气相产物中的N、S、Cl小分子污染物的释放特性。HCN、NH₃在600℃时向NO_x转化;600℃以下绝大部分含氯化合物会发生释放;含硫污染物成双峰释放,600℃以上的峰主要源于硫酸盐的分解。