污泥绿化垃圾共热解对热解炭性能的影响.pdf
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1、第 卷第 期能源与环保 年月 收稿日期:;责任编辑:郭海霞 :基金项目:上海市自然科学基金()作者简介:马腾(),男,河北衡水人,研究方向为动力工程及工程热物理。引用格式:马腾,尹丽洁,王萌,等 污泥绿化垃圾共热解对热解炭性能的影响 能源与环保,():,():污泥绿化垃圾共热解对热解炭性能的影响马腾,尹丽洁,王萌,胡雨燕,徐嘉琪(同济大学 机械与能源工程学院,上海 ;上海多源固废协同处理和能源化工程技术研究中心,上海 )摘要:以上海市常见的绿化树种香樟木的枝叶为代表,研究了绿化垃圾与污泥的混合比例、热解温度以及发酵对热解炭性能的影响。研究发现,随着热解温度的升高,热解炭的产率逐渐降低,比表面积
2、逐渐增大,表面官能团逐渐减少。发酵后热解炭产率高于未发酵的热解炭,比表面积增加,表面官能团出现了脂肪性 和 的不对称伸缩振动峰,并且污泥在与香樟木枝叶充分发酵后,热解炭对于污泥的附着能力提升。随着绿化垃圾比例的增加,热解炭的产率逐渐降低,比表面积以及孔隙数量逐渐增加。关键词:污泥;绿化垃圾;共热解;热解炭中图分类号:文献标志码:文章编号:(),(,;,):,:;污泥是污水处理的主要副产物 ,随着我国城市化进程的快速推进,污泥产量逐年上升,据住建部公布的报告显示,年全国年污泥产量约 万 (以含水率 计)。污泥中含有大量的有机质,通过低能耗干化和热解可实现资源化利用 ,热解产物中,油和气可以用于燃
3、料或进一步提质利用,而热解质炭存在比表面积小、孔隙结构不发达、吸附能力弱等问题 ,尚没有很好的出路。城市园林绿化垃圾主要是指城市园林植物自然凋落或人工修剪所产生的植物残体,主要包括树叶、草屑、树木与灌木剪枝等,来自城市的公园、绿地和行道树等。园林垃圾的特点是体积大、密度小、木质素含量高、自然生物降解速率慢。由于现代化城市发展迅速,绿化垃圾产量不断增长。目前,我国很多城市没有专门的绿化垃圾处理设施,通常绿化垃圾进入垃圾焚烧厂进行焚烧或进入生活垃圾填埋场填埋,不仅浪费了资源还对环境造成二次污染。生物炭具有良好的吸附性能,国内外学者对于生物质热解制备生物炭进行了大量研究,目前研究多侧重于产率和产物分
4、析,以农业废弃物为主,等 研究了生物质颗粒热过程中木质素、纤维素和半纤维素之间的相互影响;徐佳等 研究了热解温度、停留时间和颗粒粒径对棉花秸秆热解制取生物炭的影响。绿化垃圾有含水率低 、碳元素 年第 期马腾,等:污泥绿化垃圾共热解对热解炭性能的影响第 卷含量高 ,热解生成的生物炭灰分少 ,随着一些小型化、低成本、可分散炭化炉的开发和简单实用的炭制备工艺的完善,解决了大规模集中化处理中难于克服的原料储运问题,使数量庞大、分散、不易储运的园林绿化废弃物就地炭化、加工成为可能,为园林绿化废弃物就地循环利用提供了行之有效的新途径。污泥与生物质共热解,由于两者之间的相互作用,可以改变产物中气液固组成比例
5、及其性质特点。李娜等 研究了在污泥中添加花生壳、玉米秆等不同生物质对生物炭产率及性能的影响,发现不同种类的污泥生物质热解炭的比表面积和芳香性均增大。等 研究了污泥和松木锯末以 的比例在锥形喷射床反应器中共热合成生物炭,发现污泥中灰分的催化活性物质降低了挥发分在反应釜的停留时间进而减少了生物油转化气体;朱赫男等 研究城市污泥和棉秆共热解制备的生物炭,发现棉秆的添加促进了重金属从生物利用态向稳定态的迁移和转化,降低了生物炭中重金属的潜在环境风险;徐期勇等 采用热重分析法研究市政污泥与木屑共热解,发现随着木屑添加比例的增加改善了污泥热解的综合热解释放特性。我国正在实行垃圾分类,其中城市绿化垃圾由环卫
6、人员清扫收集,是最容易分离出来的。污泥与城市绿化垃圾共热解,污泥附着在绿化垃圾上,绿化垃圾热解的炭可为污泥提供“骨架”结构,增加生物炭的强度,有利于提高污泥热解炭的品质;同时绿化垃圾热解产生的高热值可燃气可满足共热解所需的热量。本文以上海最常见的绿化树种香樟木的枝叶与污泥混合后通过干化进行共热解,分析在不同操作条件下如混合比例、热解温度、混合发酵等对生物炭性能的影响,探究城市绿化垃圾与污泥共热解对污泥基生物炭性能的影响,为研究污泥与城市绿化垃圾共热解制备生物炭奠定基础。实验材料与方法 物料预处理研究中污泥来源于上海市某污水厂夏季的二沉池回流污泥,香樟木枝叶来源于上海市某高校裁剪的枝叶。为了研究
7、混合发酵对生物炭性能的影响,使污泥和生物质更好混合,在热解之前对部分混合物先进行短时间的混合发酵,然后控制离心速度为 ,离心时间为 ,然后将所有混合物原料放入冷冻干燥器干燥处理。香樟木的枝叶破碎后,与原污泥分别置于烘箱中在 条件下烘干,冻干污泥将其过 目的筛保证污泥的粒径分布,放入干燥器内,避光储存。原料工业分析结果见表,元素分析结果见表 。表 工业分析(干基)()种类工业分析 灰分挥发分固定碳污泥 香樟木枝叶 表 元素分析 种类元素分析 污泥 香樟木枝叶 实验设备及方法实验系统如图 所示,主要包括热解系统和挥发分的冷凝收集系统,其中热解系统采用电加热。实验过程中,首先将污泥和生物质放置热解炉
8、中通氮气 ,然后打开控温程序进行加热,热解终温分别设置为 、,升温过程及保温过程总时间为 。热解产生的热解炭通过称量反应前后系统质量获得。图 实验系统示意 分析方法采用 型扫描电子显微镜()观察样品表面的结构,采用 型全自动氮吸附比表面积分析()测量比表面和孔径分布,采用 型傅里叶红外()测定生物炭表面官能团。研究结果与分析 混合比例对热解碳性能的影响热解温度为 时,污泥与绿化垃圾的比值对热解炭产率的影响如图 所示。热解炭产率计算公式:产率 热解炭的质量 送入反应器的原料的质 年第 期能源与环保第 卷量。从图 中可以看出,由于绿化垃圾的挥发分含量比污泥高,随着绿化垃圾比例的提高,热解炭的产率逐
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