污泥富氧燃烧及其重金属迁移转化特性研究

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1、硕士学位论文污泥富氧燃烧及其重金属迁移转化特性研究特性研究研究作者姓名王梓桓学科专业工程热物理指导教师马晓茜教授所在学院电力学院论文提交日期2018年4月21日StudyonOxy-fuelCombustionCharacteristicsandHeavyMetalsMigrationandTransformationBehaviorsofSludgeADissertationSubmittedfortheDegreeofMasterCandidate：WangZihuanSupervisor：Prof.MaXiaoqianSouthChinaUniversityofTech

2、nologyGuangzhou,China分类号：TK6学校代号：10561学号：201520110679华南理工大学硕士学位论文污泥富氧燃烧及其重金属迁移转化特性研究作者姓名：王梓桓指导教师姓名、职称：马晓茜教授申请学位级别：学术型硕士学科专业名称：工程热物理研究方向：能源高效清洁利用论文提交日期：2018年4月21日论文答辩日期：2018年6月3日学位授予单位：华南理工大学学位授予日期：2018年6月24日答辩委员会成员：主席：刘金平委员：马晓茜、楼波、姚顺春、李泽宇摘要随着经济快速发展，市政污泥的污泥产生量持续快速增长。污泥中有机质含量高，容易腐败，并且含病原菌及重金属

3、等有毒有害物质。如何妥善处理污泥，更好利用污泥中的资源是一个非常值得关注的问题。富氧燃烧作为一种新型燃烧方式，有着独特的技术优势，有利于实现碳减排，对控制温室气体排放和缓解球气候变暖有着重要意义。因此，有必要探讨将富氧燃烧技术运用于污泥的处理。利用热重分析仪、管式炉、电感耦合等离子体发射光谱仪等设备对污泥在富氧条件下的燃烧特性、灰渣形态、重金属迁移与转化行为等方面进行研究，有助于污泥富氧燃烧的应用和推广，为污泥的减量化、无害化和资源化提供新的思路。利用热分析技术研究污泥的富氧燃烧特性，并求解动力学参数。结果表明：污泥燃烧过程主要经历了两个失重阶段。第一个失重阶段在180~40

4、0℃之间，第二个失重阶段在400~660℃之间。在相同氧气浓度下，用CO2代替N2不利于第一阶段污泥中挥发分的析出和燃烧，但是促进了第二阶段的失重。污泥在O2/CO2气氛中燃烧，氧气浓度升高，污泥更容易着火，燃尽时间缩短，失重速率和综合燃烧特性参数均增大，整体燃烧性能改善。污泥在模拟空气气氛中燃烧的平均活化能为164.2kJ/mol，小于80%CO2/20%O2气氛中燃烧的平均活化能。利用管式炉进行不同温度、不同气氛下的污泥燃烧实验，对污泥和灰渣均进行SEM-EDX分析。结果发现：污泥微观上是大小不一的不规则颗粒，颗粒表面粗糙。燃烧过程中发生了团聚现象，颗粒尺寸变大。随着温度

5、的升高，颗粒上出现更多孔洞，孔隙率变大。灰样中O元素的含量最高，其次是Al和Si，灰样成分较为复杂，为硅铝酸盐和其他多种无机矿物盐。采用酸消解法，利用ICP-OES测定污泥和不同燃烧条件下的灰渣的重金属含量。结果表明：污泥中重金属的含量按从高到低排列分别是Zn>Cr>Cu>Pb>Ni>Cd。Zn、Cr、Cu和Cd的浓度超过了酸性土壤的的环境质量标准值。燃烧之后，灰渣中重金属的含量约为原污泥的1.5~2倍。Ni和Cr的残留率高，在90%左右或以上。Pb和Zn的残留率相对较低，在70%~90%之间。随着温度的增加，重金属的残留率减小，其中Cu和Cd的迁移特性受到温度的影响较大。在

6、不同的气氛下，不同重金属的残留率展现了不同的变化规律。Ni、Pb、Zn、Cd在80%CO2/20%O2气氛下的残留率比80%N2/20%O2下的大，Cu和Cr却相反。随着O2浓度上升，灰渣中Ni的含量减少，而Cu和Pb铅的含量增加。IO2浓度为30%时，Zn的含量最小，Cr和Cd的含量则最高。温度对所有重金属的残留率有显著影响，气氛只对Cd显示出显著影响。采用改进的BCR顺序提取方法，探究污泥和灰渣中重金属的化学形态分布。结果表明：污泥中大量的重金属以不稳定形态存在，燃烧之后，灰渣中重金属的残渣态比例显著上升，而弱酸提取态、可还原态这两种生物有效性最高的形态比例均下降。重金属

7、由不稳定态转变为稳定态，对环境的危害性减轻。随着温度的升高，灰渣中重金属的残渣态比例上升。在相同O2浓度下，用CO2代替N2会使得灰渣中Ni、Pb、Zn和Cu的弱酸提取态、可还原态分布比例小幅下降，残余态的比例上升。但Cd形态分布的变化趋势相反。O2浓度在低温燃烧条件下，对这些重金属转化行为的影响更明显。综上，提高氧气浓度，污泥的燃烧性能改善。燃烧之后，重金属在灰渣中富集。温度对重金属的迁移转化特性影响显著。气氛对不同重金属的影响各异。关键词：污泥；富氧燃烧；燃烧特性；重金属IIABSTRACTWith