基于微波诱导的市政污泥干化与热解研究

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随着污水处理厂建设进程的加快,我国市政污泥规模逐年增加,急需减量化和资源化处理。鉴于目前污泥热处理技术存在的效率低、能耗高的不足,本文以基于微波诱导的市政污泥干化和低温热解技术作为研究内容,并针对污泥处理过程中其它关键技术开展了实验和模拟研究。考察了温度、微波破解对市政污泥干燥特性的影响。研究表明:干燥温度越高,污泥干燥的速率就越快。当干燥温度从70℃上升到160℃时,相对应的最大干燥速率从0.005 g·(g·min)-1变化到0.060 g·(g·min)-1。微波诱导污泥相对原始污泥容易干化。在实验条件下,微波诱导污泥干化时间比普通污泥最大可缩短近30%。微波辐射能够大幅度提高市政污泥的扩散系数,在辐射剂量15w/g,60s、90s、180s条件下,相对原始样提高了228%、295%、388%;在20w/g、60s辐射条件下,污泥的有效扩散系数提高了293%。经Fick定律计算得出同等温度条件下,市政污泥的扩散系数比造纸污泥大3个数量级。利用Arrhenius等式对实验数据计算,市政污泥的平均活化能为37kJ/mol。市政污泥的组分和结构与造纸污泥存在较大差异,在相同热力条件下的干化过程,市政污泥比造纸污泥吸热更多,能耗更高。通过最佳拟合度选择,筛选出WeiBull模型相比其他动力学模型能更好地模拟污泥干燥过程。通过对不同污水处理厂的两种污泥开展TG-DSC实验研究,获得污泥热解的温度—失重数据,利用Coats-Redfern积分法计算得到热分解反应的表观活化能、反应级数及频率因子,其中20K/min升温速率下,热解反应的活化能分别为45 kJ/(mol·k)、41 kJ/(mol·k)。采用Malek寻优法在常用的机理函数中找出最慨然函数,证明污泥热解是以三维扩散反应为主的多级反应。利用低剂量微波的诱导作用,了解其在传统热源热解过程中提高产率和节能效果。通过TG-DSC实验,研究微波辐射对污泥热解特性的影响,与污泥—生物质混合热解特性作对比,并利用Coats-Redfern积分法计算出污泥热分解反应的表观活化能、反应级数及频率因子。实验发现在辐射剂量为10、20、25 w/g辐照剂量和10K/min升温速率的条件下,污泥TG实验的失重率分别提高了4.6%、5.7%和11.6%;热解反应的活化能分别降低了19.2、2.6、12.7kJ/(mol·k),平均降低了24%,反应级数略有变化。10K/min升温速率下,添加5%木屑和麦秆提高污泥热解失重率,具有促进作用。通过污泥固定床热解实验,利用红外分析仪、气相色谱-质谱仪等分析手段,定性地分析微波破解对污泥热解反应的促进作用。污泥与微波破解污泥对比实验发现,不同终温下的三态产物产率的变化表明后者热解难度降低,深度得到加强。GC-MS分析发现,污泥热解生物油中多以单环芳香化合物和含氮芳香化合物为主,而后者的热解生物油成分发生了较大改变,含氮芳香化合物含量增加;以400℃终温为例,胺和酮的含量分别提高了152%和118%。实验还发现微波破解污泥在较低终温下气体产率更高,而最大产率没有提高。FTIR光谱对比分析显示,微波作用使热解残渣中烷烃、烯烃、醇、酮有机物含量降低。通过市政污泥粘度测量实验,得到污泥剪切速率与剪切应力关系数据,并且观察到剪切稀化现象;运用分段拟合方法求解出初始屈服应力和临界剪切速率,从而得到全范围污泥流变曲线。在此基础上,建立污泥管流模型并完成计算,计算结果与参考文献中经验公式和实验结果接近。且可知管径、流速以及流动指数对管道流动的影响显著。入口流速不变的条件下,减小流动管径33%,驱动压力增大了152.1%;管径不变条件下,提高入口流速10倍,驱动压力增大了11倍;保持管径和入口流速条件不变,增大流动指数10倍,驱动压力减少了20.2%。通过Aermod、K-ε和K-ω-sst湍流模型对有害气体扩散污染情况的模拟预测。Aermod结果显示最远厂界以外600米范围浓度超过污水厂排放国家一级标准,但是满足二级标准。对比研究发现,相同污染源排放条件下,采用高斯扩散模型为核心的AERMOD模型计算结果比K-ε模型计算浓度值偏大;K-ω-sst模型与K-ε模型计算结果对比,前者的污染物扩散速度更快。
摘要第4-6页
Abstract第6-8页
1 绪论第11-31页
    1.1 研究背景第11页
    1.2 当前市政污泥处理的技术需求分析第11-15页
    1.3 城市污水处理厂污泥的产生原理和成分分析第15-19页
    1.4 污泥处理与处置现状第19-27页
    1.5 课题的提出第27-31页
2 微波诱导市政污泥的薄膜干化研究第31-43页
    2.1 污泥干化技术发展概况第31-32页
    2.2 材料与方法第32-34页
    2.3 结果与讨论第34-41页
    2.4 本章小结第41-43页
3 微波诱导市政污泥热解及其动力学分析第43-64页
    3.1 污泥热解技术发展概况第43-44页
    3.2 市政污泥热解实验的装置、材料和方法第44-46页
    3.3 实验结果与讨论第46-54页
    3.4 微波诱导市政污泥热解实验装置、试样及方法第54-55页
    3.5 实验结果与讨论第55-62页
    3.6 本章小结第62-64页
4 微波破解污泥的固定床热解行为研究第64-81页
    4.1 污泥固定床实验研究概况第64-65页
    4.2 实验装置和分析方法第65-68页
    4.3 实验结果与讨论第68-80页
    4.4 本章小结第80-81页
5 污泥的流变特性及其管道流动的数值模拟第81-96页
    5.1 浆体输送技术应用概况第81-82页
    5.2 污泥管道流动数学模型建立第82-85页
    5.3 污泥流动本构方程推导第85-88页
    5.4 数值模拟结果与分析第88-94页
    5.5 本章小结第94-96页
6 有害气体扩散的数值模拟第96-113页
    6.1 污水处理厂有害气体排放概述第96-97页
    6.2 硫化氢的检测方法第97页
    6.3 AERMOD模型预测污染物扩散浓度第97-100页
    6.4 CFD模拟有害臭气扩散第100-111页
    6.5 本章小结第111-113页
7 全文总结与建议第113-116页
    7.1 全文总结第113-114页
    7.2 研究特色和创新点第114-115页
    7.3 进一步工作的建议第115-116页
致谢第116-118页
参考文献第118-129页
附录1 攻读博士学位期间完成的论文(第1作者)第129-130页
附录2 读研期间参与的科研项目第130页
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