城市污泥和浒苔共水热碳化参数响应面优化

日益增多的城市污泥对环境造成了严重的危害,传统处理处置方法在实现无害化和资源化方面仍存在各种挑战。水热碳化技术被认为一种有效处理处置城市污泥的方式,但由于污泥的低碳、高灰特性,限制了水热炭作为燃料的应用。利用高碳、低灰的浒苔和污泥进行共水热碳化有利于解决这一问题。开展了不同水热反应条件下(温度160~280℃,时间30~150 min,污泥占比0~100%)污泥和浒苔的共水热碳化实验,探究了过程参数对于能量回收效率和电能消耗指数的影响规律,并利用响应面法对3个主要因素(温度、时间、污泥占比)进行了优化设计。结果表明,利用Central Composite Design设计建立的响应面模型,拟合程度良好(模型P<0.05,相应的失拟项P>0.05),预测值和实际值偏差较小。污泥占比对于能量回收效率有显著影响(P<0.05),时间是对于电能消耗指数影响极其显著的因素(P<0.0001),温度对于电能消耗指数的影响达到显著水平(P<0.05)。通过数学模型的优化,得出了达到最佳能量回收效率(0.470)和最低电能消耗(165.61)的最佳条件,分别是反应温度216℃、反应时间83 min、污泥占比为64%和反应温度200℃、反应时间60 min、污泥占比为50%。此外,在反应温度208℃、反应时间62 min、污泥占比52%的条件下,可以同时获得较高的能量回收效率(0.463)和较小的电能消耗指数(171.60)。通过3次重复实验验证,实验值与预测值偏差小于5%。研究结果可为城市污泥和浒苔的资源化和高值化利用提供科学依据。

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。

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。