不同升温速率下城市污水污泥热解特性及动力学研究

利用差热-热重分析法和Coats-Redfern积分法,对杭州某污水处理厂污泥在不同升温速率下的热解特性及反应动力学特征进行研究。实验结果表明,热解温度从室温升至900℃时,污泥热解过程可分为4个失重阶段;升温速率对污泥热解转化率、挥发分析出温度以及最大失重率等热解特性参数都有显著影响。升温速率越高污泥最大失重率越大;而较低的升温速率延迟了污泥热解反应时间,导致污泥失重量相对较大。根据Coats-Redfern积分法计算结果,污泥在氮气氛围下的热解反应为二级反应模式。提高升温速率可显著增加污泥热解的表观活化能和频率因子。     

油田采油污泥的热解动力学及其热解效果研究

以新疆克拉玛依油田采油污泥为对象,分别采用热重分析仪和小型流化床热解反应器研究了含油污泥的热解过程及其热解效果。结果表明,油泥热解主要经历了失水、轻质组分挥发、重组分快速热解失重和缓慢失重4个阶段,热解过程基本符合一级动力学方程,提高热解的升温速率,可使油泥的最大失重速率D_max、失重速率峰值温度θ_max、升温终点的最大失重率都随之增加,表现在动力学上,反映出表观活化能和碰撞频率因子的同时升高,即提高油泥热解转化率的同时也影响了热解效率。失水油泥用流化床热解,在热解温度600℃、反应时间3 min时,油泥回收率可达到87%。     

生活污泥与煤混烧及热解特性

采用热重分析法,对生活污泥与煤以1∶1质量比混合的试样进行燃烧及热解实验研究,重点分析了升温速率对其热解及燃烧特性的影响,为煤泥混烧及热解技术的工业化应用提供理论支持。结果表明：煤泥混合样燃烧失重分为4个阶段,混燃过程中污泥与煤共同影响着混合试样的燃烧特性,随着升温速率从15 ℃·min-1增加到50 ℃·min-1,其可燃性指数C增幅达60%和综合燃烧特性指数S提高了4倍多,燃烧性能得到明显提高;煤泥混合样的热解失重分为2个阶段,各阶段热解的挥发份最大析出速率（dw/dt）max及挥发分析出特性指数D均随升温速率的升高而大幅增大,且试样总的挥发综合释放指数D从0.081 7×10-8K-3·min-2增大到5.868×10-8K-3·min-2,可见升温速率越高,煤泥混合物的热解性能越好。     

船舶塑料垃圾热解特性及动力学分析

利用热重分析(TGA)研究船舶塑料垃圾在不同升温速率和不同气氛下的热解特性,并得到了热解动力学参数。结果表明,船舶塑料垃圾的热解过程主要有3个阶段,比一般塑料热解复杂;随着升温速率增大,最大热解速率和最大热解速率温度等热解特性参数也增大,反应变得更剧烈;N2/CO2比为4∶1时,热解反应进行得最完全,固体残留率最少。动力学分析表明,采用3个连续一级反应模型能很好地拟合实验数据;不同的升温速率和气氛比对反应各阶段活化能均有不同程度的影响。     

热解终温对污泥热解残渣特性的影响

研究了热解终温对污泥热解残渣物理化学特性的影响,着重分析了不同热解终温下污泥热解残渣的比表面积、孔结构与吸附性能,并根据傅里叶红外光谱分析污泥热解残渣表面化学性质变化.研究表明,与污泥干燥基相比,污泥热解残渣中的水分、挥发分含量较低,灰分和固定碳含量较高;热解终温为500℃时,污泥热解残渣的总比表面积达到最大值20.1...     

一次性废竹筷制备活性炭及热解过程分析

以一次性废竹筷为原料,K2CO3为活化剂,通过炭化和活化2步制备活性炭。采用全自动比表面和孔径分布分析仪、傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）、X射线衍射分析仪（XRD）对样品的孔隙性质、表面官能团和晶相变化进行了表征,并研究了活性炭对亚甲基蓝的吸附等温线。利用热重分析（TGA）对活性炭的制备过程进行了研究,并用Coats-Redfern法确定了热解反应活化能和反应模型。结果表明,活性炭的比表面积为1 262 m2·g-1,总孔体积为0.624 cm3·g-1。K2CO3活化可导致热解炭的脂肪烃侧链断裂,并发生脱氢缩聚,其石墨微晶的轴向（100）堆积被破坏,径向（002）芳香环网状结构则更为有序。活性炭对亚甲基蓝的吸附过程符合Langmuir模型,最大吸附量为336 mg·g-1。废竹筷的2个主要热解阶段符合一维扩散模型和二级反应模型,其热解反应活化能分别为76.23和104.24 kJ·mol-1;活化过程中残存木质素的热解可由一维扩散模型描述,K2CO3浸渍使其热解反应活化能降低了44.28 kJ·mol-1。     

含油污泥与玉米秸秆共热解协同特性

利用热重-傅里叶变换红外分析仪（TG-FTIR）对含油污泥与玉米秸秆共热解特性进行了研究,分析了各温度段的协同效应。TG分析表明,共热解主要呈现3个阶段：挥发分的析出（210～520 ℃）、碳酸盐的分解（600～780 ℃）、长链难分解重质油的热裂解和半焦的气化（900～1 100 ℃）,且在不同热解阶段呈现出不同的协同效应。热解动力学分析表明,含油污泥与玉米秸秆共热解后,第1阶段的活化能有所增高,而第2、3阶段的活化能大幅降低。FTIR分析表明,第1、2阶段,共热解与单一物料热解的产物种类基本一致,而在第3阶段,共热解使含油污泥热解产物甲基化合物发生分解和转化。含油污泥与玉米秸秆共热解可促进CO2、CO、CH4和C=O化合物的析出,其中添加玉米秸秆质量分数为10%时,对CO2、CO和CH4析出的促进作用最强,添加30%时则对C=O化合物的析出更为有利。     

城市污泥与煤混合热解特性及动力学分析

为了污泥与煤混合热解的实验研究及工程化应用提供初步的数据及理论支持,利用热重分析仪讨论了污泥与煤混合热解的主要影响因素(加热速率、热解终温及混合比例)以及动力学参数。结果表明:加热速率对污泥热解影响较小;混合物热解终温与煤的热解终温基本一致;煤在污泥(干基)中的添加比例小于50%有利于挥发分的产出;通过热解特性及动力学参数分析,得出混合物比单一物料更易分解,且两者存在一定的协同效应;建立了污泥与煤不同混合比例在有机质主要热解区间内的经验动力学方程,经具体混合比例验证,经验动力学方程推导出的动力学参数及TG曲线与实际实验结果吻合较好。     

市政污泥热解特性及含碳官能团演化过程分析

我国市政污泥年产量大,研究其热解机理和碳形态转化可为实现污泥无害化和资源化提供理论基础。采用热重、动力学拟合、红外光谱 (FTIR) 、X射线光电子能谱 (XPS) 等检测和分析方法,对市政污泥热解特性、活化能变化和含碳官能团进行分析。结果表明：市政污泥热解过程中含碳官能团的生成在不同的阶段存在差异,进一步采用Kissinger-Akahira-Sunose (KAS) 法、Flynn-Wall-Ozawa (FWO) 法和Friedman法进行动力学分析,其活化能结果显示在转化率为0.40~0.70时,市政污泥热解速率加快,污泥中含碳官能团加速发生热解转化。FTIR和XPS结果表明,在400 ℃以下时,醇羟基的分解是导致污泥结构中羟基减少的主要原因。在400 ℃时,酚羟基和C=O键相对质量分数最多,而在500 ℃时,羧基和C-O键相对质量分数最高。C=C键和C-N键随温度升高持续减少,C-C结构则先减少后增加,在500 ℃时相对质量分数最低,而芳香结构随温度的上升持续增加。在400~600 ℃内,污泥残炭的含碳氧官能团较多,吸附性和稳定性较高。本研究结果可为市政污泥热解机理及碳形态转化提供参考。     

污水污泥裂解及其性能的研究

以碘吸附值为裂解残渣吸附性能的指标,通过单因素实验和正交实验,确定了制备裂解残渣的最佳工艺条件,并对残渣的表面元素组成、孔结构组成、晶相组成和吸附性能等性质进行了表征。结果显示：以浓度均为5 mol/L的ZnCl₂和H₂SO₄作活化剂、复配比2∶1、活化温度600℃、活化时间1 h、固液比1∶2.5,制得的裂解残渣酸洗后碘值平均值可达892.8 mg/g;用制备的裂解残渣对苯酚废水进行处理,室温下振荡5 min,苯酚去除率即可达到87.9%,且符合Langmuir吸附等温线方程和Freundlich吸附等温线方程。     

利用旋转炉热解城市污泥的产物特性

采用旋转管式加热炉实验台在惰性条件下对城市污泥进行了热解实验,系统研究了不同热解温度对气态产物和固态产物成分的影响。结果表明:污泥经热解后的产物在600℃时,比表面积最大值为158.02 m2/g,孔容最高为109.58 mm3/g。随着热解温度的升高,气态产物和液态产物的产率增加,而固态产物则减少。在热解温度450~750℃,热解产物中的固态产物产率由53.65%降至31.69%;气体产率从11.23%升至24.74%,其中H2、CO、CO2、CH4、C2H4、C2H6和C2H2占总气体的75%以上,H2含量随着热解温度的升高而升高。热解气中小分子碳氢化合物含量较高,600℃时热解气体中含氢气体主要包括:H2、CH4、C2H4、C3H8、正丁烷(C4H10)及C2H6等,其中H2和CH4含量分别为27.98%和23.63%。CH4、C3H8、C4H10等气体的含量随着热解温度的升高呈现先增后减趋势,且在600℃达到最大值,C2H2、C2H6在450℃时其浓度最高。随着热解温度的升高,N、C和H 3种元素在热解固态产物中的质量分数呈明显下降的趋势。     

温度对污泥与底泥烧结陶粒性能的影响

研究了温度对污泥与底泥烧结制备陶粒的主要性能(抗压强度、吸水率、比表面积和密度)的影响,并结合电镜扫描(SEM)和热重红外(TG-FTIR)分析对温度影响陶粒的膨胀特性和孔隙结构的机理进行分析。研究发现,随着烧结温度的升高,陶粒比表面积和吸水率降低,而抗压强度和表观密度有所提高。SEM分析表明,温度对烧结体内部形态影响显著:800℃时烧结体呈现出松散堆积状态,1 000℃时陶粒开始产生液相,1 050℃时烧结体出现大量液相,并且陶粒中有非常丰富的气孔。TG-FTIR分析表明,有机物所发生的分解产气反应只能起到轻质化的作用,并不能使陶粒膨胀;1 000℃以上发生产气反应的主要是铁的化合物和固定碳,污泥中有机物形态存在的碳有利于将碳元素保留到陶粒高温烧结阶段,这一过程使得铁的化合物得以与碳元素发生产气反应,对陶粒多孔结构起到重要作用。     

微波热解城市污水污泥的H2S释放影响因素研究

利用微波热解城市污水污泥是实现污泥无害化、减量化和资源化的有效出路之一,但热解过程中产生的恶臭气体(如H2S等)也会对大气环境造成严重的影响.以微波热解城市污水污泥10 min所收集的气体为研究对象,研究了热解终温、污泥含水率、升温速率及矿物催化剂种类4个因素对热解过程中H2S产量的影响.结果表明,随着热解终温的升高,城市污水污泥微波热解过程中的H2S产量逐渐上升,800℃时H2S产量为5.86 mg/g(以干污泥计,下同);含水率在50％～80％时,随着含水率的增加,城市污水污泥微波热解过程中的H2S产量逐渐上升,当含水率增至90％时,污泥出现了泥水分层现象,致使后续热解反应无法进行,故没有H2S产生;升温速率越快,热解反应的活化能越高,反应不易进行,H2S产量降低;添加矿物催化剂能有效固硫,且雷尼镍基催化剂的效果更好,热解终温为800℃时的H2S产量为4.15 mg/g,较不添加矿物催化剂时降低约30％;可通过铜铁吸收法和活性炭吸附两步工艺对热解产生的H2S加以吸收处理,处理后的H2S排放浓度满足《恶臭污染物排放标准》(GB 14554-93)中的厂界一级标准限值.     

污泥在CO2气氛下热解CO与CH4的生成特性

利用热重-红外(TG-FTIR)联用技术研究了典型市政污水污泥在CO2和N2气氛下的热解特性。基于TG-FTIR分析结果,采用等温模式配合法研究了CO2气氛下污泥固定床热解过程中CO和CH4的生成特性,建立了CO和CH4的生成动力学机理模型,并同传统N2气氛下污泥热解情况进行了对比,理论模型利用实际实验数据进行了验证分析。结果表明,在实验温度范围内2种气氛下CO与CH4的生成情况有着比较明显的差异,CO2气氛下CH4释放浓度在峰值和总量上都要低于N2气氛,CH4释放峰值来得更早,释放时间更为集中,释放过程也结束得更快。相反,CO的释放浓度峰值,总量以及持续时间在CO2气氛下都要远远高于N2气氛,随着温度的升高,差距越来越大,CO2的存在大大促进了CO的生成。经实验验证,理论推导所得的模型公式对于热解产物生成有着良好的预测结果。     

污泥、皮革和煤的协同热处置

研究污泥、皮革、煤以不同比例混合时的热解特性和混烧特性,结果表明：皮革的平均失重率最高,在500℃时失重可达70%,污泥失重率比较稳定;煤的挥发分析出特性最差,最大失重率对应的温度最高,而且物料混合时有一定的交互影响,能促进热解过程;混烧时皮革含量越高,燃烧越充分,炉内温度越高,而污泥越多,烟气中的NOx含量越高,煤的掺入能降低烟气中二恶英的浓度。     

给水厂与污水厂污泥制陶粒技术研究

对天津凌庄自来水厂的给水厂污泥和天津东郊污水处理厂的污水厂污泥的成分进行了分析,在此基础上根据焙烧陶粒的原理,设计了以2种污泥为原料焙烧陶粒的工艺流程。通过实验,研究了其工艺过程中的影响因素并确定了工艺参数。性能检验结果表明,添加量为30％的混合污泥陶粒,在1 140℃焙烧5 min,可得到强度标号为40 MPa的高强陶粒。因此,以2种污泥为原料烧制陶粒的处置方法可行,并能带来一定的经济效益、社会效益和环境效益。得到的产品符合国标中高强陶粒的要求,可广泛应用于建筑行业中的承重结构。     

干化污泥热解制备可燃气过程中石英砂的影响

污水污泥样品经过105℃干燥处理后,在管式电阻炉和热天平上分别以15℃/min升温速率,在0～950℃温度范围进行污泥混合石英砂的热解实验研究。石英砂污泥混合热解实验发现:混合热解的产气总量得到提高,石英砂的加入不改变污泥热解生成可燃气的规律。在热解的高温段(800～950℃),由于加入了石英砂,CO浓度得到了提高。     

污泥连续式微波热解制备生物气

采用升温迅速的微波能作为热源,利用自主设计微波设备对含水率为82%（m/m）的湿污泥进行高温热解实验。采用单因素实验法,探究热解终温、停留时间、活性炭添加量对污泥热解生物气组分和含量的影响规律,确定连续式运行的最佳工况条件：热解终温900℃,停留时间50 min,活性炭添加比例为30%,热解功率1 600 W;在此基础上进行连续12 h微波高温热解实验,共热解污泥56 kg,产生生物气32.26 kg,热解油10.98 kg,固体残渣12.66 kg,产气转化率高达57.8%,生物气组分H2+CO含量高达67%,热解产物具有良好的工业利用价值。污泥热解生物气中H2S浓度超标10倍以上,而NH3浓度未超标,硫化氢的去除技术研究值得关注。