城市污泥低温热解特性研究及热解装置开发

论文摘要

随着城市污泥量的不断增加,污泥低温热解技术在环境保护、可再生能源利用等方面的优势使其成为一种非常有发展前途的污泥处理方法。本文利用热重分析法和小型热解实验装置对污泥热解机理和热解反应特性进行了实验研究,对污泥热解反应机理和主要反应参数对污泥热解的影响进行了分析与研究。在此基础上,对20t/d污泥干化及热解处理工程的热解反应装置进行了开发设计,回转式污泥热解反应装置进行了尺寸和整体结构优化设计、污泥热解反应装置的测控系统等进行了开发与研究。并对回转式污泥热解反应装置进行了热性能研究和污泥热解反应过程的模拟研究。污泥的热解反应动力学研究表明,污泥在不同升温速率下反应过程的热解特性不同。提高升温速率有利于增加热解反应最大失重速率,但对总失重率影响不大。污泥热解的不同反应阶段具有不同反应机理和动力学参数,在主要的30～50K/min的温升速率下,反应活化能为24～29kJ/mol。通过污泥低温热解的实验研究,获得了不同反应参数下的污泥热解反应特性和热解产物的分布。在220～460℃热解终温范围内,热解产物的产油率和产气率随反应终温的增大而明显增加,热解炭产率随加热终温的升高而减少。污泥低温热解反应在40min时达到平衡。铜类金属催化剂能显著改善污泥热解反应特性,提高热解油产率,在220～460℃油品最大产率从25.63%增加到30.74%,同时炭产率降低了13%。在对污泥热解基础特性研究基础上,确定反应终温350℃、物料停留时间40min作为工业化污泥热解装置的基本设计参数,开发了干污泥处理量5t/d的外热式回转热解反应装置。通过对污泥在回转式反应装置内的流动特性分析,对回转式污泥热解反应装置进行了结构尺寸优化设计。在此基础上,开发完成内径0.9m,有效段长度5.4m的回转式污泥热解装置,对整体结构设计及辅助设备进行了系统设计,开发了污泥热解反应装置的测控系统进行了开发。对外热式回转污泥热解装置的热性能进行了分析,结果表明基于热解反应热力学分析的热解炉热分析法与基于反应器热平衡的热解炉热分析方法均可应用于外热式回转热解装置的开发设计过程。对外热式回转污泥热解装置内的传热过程进行了分析,与污泥热解过程机理结合,进行了外热式回转热解装置内污泥热解的仿真模拟,分析了回转热解装置内的污泥热解过程中的物料料床温度和污泥转化率及产物的得率变化,模拟结果与实验数据基本吻合。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 城市污泥的来源和分类
• 1.2 城市污泥的基本特性
• 1.3 污泥的危害及处理目的
• 1.4 污泥处置技术的现状
• 1.5 污泥热解技术的现状
• 1.6 问题的提出
• 1.7 本论文研究的主要内容
• 第二章 污泥热解动力学研究
• 2.1 污泥热解的机理概述
• 2.2 污泥样品的元素分析和工业分析
• 2.3 热解反应机理的热重实验分析方法
• 2.4 热重实验结果分析
• 2.5 城市污泥的热解反应动力学分析
• 2.7 本章小结
• 第三章 污泥低温热解试验特性研究
• 3.1 污泥低温热解产物分析
• 3.2 热解实验装置及流程
• 3.3 实验结果分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 工业化污泥低温热解回转炉的开发与设计
• 4.1 工业化污泥低温热解装置的选择
• 4.2 热解装置反应参数和处理量的确定
• 4.3 回转式热解反应装置的尺寸优化设计
• 4.4 回转式热解反应装置结构设计与测控系统开发
• 4.5 辅助设备
• 4.6 工业化回转式污泥低温热解装置样机
• 4.7 本章小结
• 第五章 回转式污泥热解装置的热分析及热解过程数值模拟
• 5.1 污泥热解反应装置的热量平衡
• 5.2 回转式污泥热解装置内的传热
• 5.3 外热式回转热解反应装置的热解反应过程模拟研究
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 本文主要工作与结论
• 6.2 发展与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 附录1 污泥低温热解回转炉剖面图
• 附录2 污泥低温热解回转炉电器控制原理图
• 附录3 作者在读期间发表的学术论文及参加的科研项目