不同温度区间内污泥热解气固相产物特征_金湓

2014年6月 CIESC Journal ·2316·June 2014第65卷 第6期 化 工 学 报 V ol.65 No.6不同温度区间内污泥热解气固相产物特征金湓1，4，李宝霞2，金诚3（1西北民族大学化工学院，甘肃 兰州 730000；2华侨大学化工学院, 福建 厦门361021；3兰州大学资源环境学院，甘肃兰州 730000；4甘肃省高校环境友好复合材料及生物质利用省级重点实验室，甘肃 兰州 730000）摘要：对城市污水污泥（简称污泥）进行工业分析和热重分析，考察污泥的基本组成和热重特性；采用气相色谱（GC ）检测了不同热解温度区间内污泥热解生成的气体产物成分，并利用SEM 和BET 分别分析了不同热解终温下裂解炭的形貌特征和比表面积。

结果表明：污泥热解可以分为水分析出阶段、挥发分析出阶段和焦炭化阶段；不同热解温度区间内污泥热解气体产物的组成有很大差别，热解温度350℃后H 2在热解气中的含量快速增加，CH 4含量在350～450℃时达到最大值，而CO 主要在热解温度为350～750℃时生成，CO 2含量随着热解温度的增加迅速下降；随着热解终温的不断升高，裂解炭结构变得越来越疏松，比表面积也随之增大，750℃达到最大值55 m 2·g −1。

关键词：污泥；固定床热解；热解气体；裂解炭；温度区间 DOI ：10.3969/j.issn.0438-1157.2014.06.049中图分类号：TK 6 文献标志码：A 文章编号：0438—1157（2014）06—2316—07Characteristics of products from sewage sludge pyrolysis at varioustemperature rangesJIN Pen 1,4, LI Baoxia 2, JIN Cheng 3(1College of Chemical Engineering and Technology , Northwest University for Nationalities , Lanzhou 730000, Gansu , China ;2College of Chemical Engineering and Technology , Huaqiao University , Xiamen 361021, Fujian , China ; 3College of Earth andEnvironmental Sciences , Lanzhou University , Lanzhou 730000, China ；4Key Laboratory of Gansu Universities for EnvironmentallyFriendly Composites and Biomass Utilization , Lanzhou 730000, Gansu , China )Abstract: Municipal sewage sludge (i.e . sludge) at various temperature ranges was analyzed by proximate analysis and thermogravimetric analysis methods. The gaseous components produced by the sludge pyrolysis were detected by gas chromatography (GC), while the morphology and specific surface area of pyrolytic char measured by SEM and BET techniques, respectively. The results show that the pyrolysis process of sludge can involve water evaporation, organics volatilization and char formation steps. There are obvious differences between the gas components obtained at different ranges of pyrolysis temperature. The H 2 content will rapidly increase when pyrolysis temperature is larger than 350℃， the maximum CH 4 content obtained when temperature is in 350—450℃, the temperature range generated CO is mainly in 350—750℃, and the CO 2 content declines for the whole range of pyrolysis temperature. With rising final temperature of pyrolysis, the char structure becomes more and2013-07-30收到初稿，2013-12-22收到修改稿。

联系人：李宝霞。

第一作者：金湓（1986—），男，硕士研究生。

基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金（JB-ZR1110）；福建省科技计划重点项目（2013Y0065）；泉州市科技计划重点项目（2013Z25）。

Received date : 2013-07-30.Corresponding author : Prof. LI Baoxia, 357381937@ Foundation item : supported by the Basic Scientific Research Foundation of Central University (JB-ZR1110), Key Project of Science and Technology Plan of Fujian Province(2013Y0065) and Key Project of Science and Technology Plan of Quanzhou City(2013Z25).第6期金湓等：不同温度区间内污泥热解气固相产物特征·2317·more loose and it specific surface area increases. The maximum specific surface area of char produces is 55 m2·g−1 at 750℃.Key words: sewage sludge; fixed-bed pyrolysis; pyrolytic gas; pyrolytic char; temperature ranges引言城市污水污泥（简称污泥）是城市污水处理厂的主要副产物之一，由于污泥中含有大量的重金属、病原体和难降解有毒有机物等物质，如果直接排放或不正确处理很容易对环境造成严重的二次污染[1-2]。

要实现其减量化、稳定化、资源化、无害化的处置，耗费甚大，但从废弃物资源化的角度看，污泥中含有大量的可热降解的有机物质，可以利用热解技术将污泥热解转换为燃料气、裂解油和裂解炭3种有很高利用价值的热解产物[3-4]，同时，在高温厌氧条件下污泥中所含的重金属会被钝化甚至无害化[5]，所以，污泥的热解技术是一项环境友好型的废弃物资源化技术，有重要的研究意义[6]。

近年来，关于污泥热解技术的研究报道较多，一般可以将污泥热解过程分为3个阶段：污泥表面吸附水的脱除阶段；脂肪族化合物溶化、裂解、挥发和蛋白质类物质的转化阶段；糖类聚合物的热解断链反应[7-8]。

Young等[9]在热解气化炉内对污泥转化为活性炭和燃料气的工艺进行了优化。

专利[10]利用化工污水处理所得污泥为原料，热解制备了重金属浓度低于国家标准GB/T 5085.3—2007最高允许浓度的裂解炭，达到了“变废为宝、以废治废”目的，环境效益和社会效益显著。

但是，由于污泥组成复杂，不同来源污泥性质差异很大，且热解设备和条件对污泥热解过程有较大影响的原因[11]，目前污泥热解的具体机理尚不明确，尤其是对污泥在不同的热解温度区间内热解产物的针对性检测和分析的研究鲜有报道。

本文以排放量较大的城市污水污泥为原料，结合热重分析（TGA）和工业分析方法考察污泥基本热解性质和组成情况，着重研究在不同热解温度区间内热解气体中各组分的组成分布以及不同热解终温下裂解炭的形貌和比表面积变化，对污泥热解的整个过程有针对性地“分割”为若干热解温区，通过不同温区对应产物的检测，获得不同热解温区内污泥热解产物特征及分布特性，以期为实现热解技术对污泥清洁、高效的资源化利用提供有用的基础数据。

1 实验部分1.1原料及预处理本实验所用污泥来自于厦门市筼筜污水处理厂二沉池污泥。

将采集的污泥晾晒后，经105℃下烘干，粉碎，过0.17 mm筛制样，密封标记，置于干燥器备用。

1.2实验装置及方法参照国家标准GB/T 212—2001中的方法对污泥中所含的水分、挥发分、灰分和固定碳含量进行测定，得到其基本的组成特点。

污泥热重实验采用日本Shimadzu DTG-60H热重分析仪进行，装料量约10 mg，载气为高纯氮气，气体流量50 ml·min−1，以所需的升温速率从室温升至1000℃。

污泥的固定床热解实验所用装置如图1所示。

实验采用载气为氮气；管式炉购自杭州蓝天仪器厂，额定功率 5 kW，可程序控温，内含直径为38 mm石英管，石英管末端放入少许石英棉以防止固体颗粒被气体夹带出去；累积式气体流量计精度为0.02 L。

样品舟为长280 mm、外径为36 mm类似“平切柱体状”的长条状石英舟。

将称量的50 g样品平铺于石英样品舟后，推入管式炉加热段，开通氮气（250 ml·min−1）吹扫10 min以上，设置固定床热解炉升温程序为40℃（恒温4 min）→15℃·min−1→150℃（恒温3 min）→后以30℃·min−1升温速率匀速升温，并每隔100℃恒温10 min至850℃→热解结束，自然冷却。

在150～250、250～350、350～450、450～550、550～650、650～750和750～850℃时热解生成的高温气体分别经过空气冷凝、蛇形冷凝管和冰浴U形管的三级冷凝后，收集于集气袋中进行后续的气相色谱（GC）分析，气相色谱分析条件见表1。