摘要
随着人口增长、工业化和城市化的进行，城市污泥产量急剧增加，污泥的无害化、减量化、资源化处置对于城市的绿色可持续发展，实现“无废城市”意义重大。通过热化学转化的方式，可以实现污泥的快速减容、减重和资源化，近年来受到了广泛关注。然而，污泥含水率高、灰分含量高、气化产物热值低，大大制约了污泥的气化资源化效率。基于此，论文围绕污泥的高效干化及气化资源化利用开展研究,通过探究污泥热干化特性及动力学行为、基于烟气余热的污泥干燥预处理，明晰污泥的高效干化方法;研究污泥与生物质共气化特性，确定气化气品质调控方法及提升路径;建立了污泥共气化热电联产系统模型，分析评价气化合成气的热电联产能效，以期为城市污泥规模化高效资源化处置奠定基础。 首先，采用热重分析探究了高含水率污泥的等温干燥过程、水分扩散以及动力学特性，分析干燥温度和初始含水率对污泥等温干燥特性的影响。结果表明，污泥等温干燥过程分为升速阶段、第一降速阶段和第二降速阶段，以降速干燥为主。污泥的水分扩散系数在300-500℃之间随着干燥温度的增加而增大，SW-80的水分扩散系数范围为3.7462×10-5m2/s-26.0186×10-5m2/s,SW-60的水分扩散系数范围为1.7654×10-5m2/s-3.7461×10-5m2/s;随着污泥含水率从60wt.％增加到80wt.％,其干燥活化能增加了296％。建立了基于烟气余热闪蒸干燥的数值模拟模型，对比高温低速风与低温高速风在干燥床中的温湿度、速度变化，结果表明高温低速风(T=923K,Q=12000Nm3/h)闪蒸干燥效果明显，干燥效率是低温高速风的1.42倍。 为了提高污泥气化合成气品质，探究污泥与生物质共气化特性，分析了气化温度(500℃-1000℃)、空气当量比(0-0.5)、气化压力(1bar-6bar)、生物质共混比(0.15-0.35)对合成气成分、低位热值、冷气效率、合成气浓度、CO选择性的影响。结果表明:当气化温度为700℃时，H2含量达到最高值28.18％,CO含量保持升高趋势，CH4和CO2含量呈下降趋势。合成气浓度达到最高值43.42％并趋于稳定，合成气低位热值、冷煤气效率以及CO选择性都达到峰值。随着空气当量比的增加，合成气中CO2含量从8.33％增加到13.44％,CO、H2和CH4含量呈下降趋势。气化压力过高也对共气化性能有不利影响，H2含量从28.18％降低到22.83％,CO含量从15.25％降低到12.22％。各项性能参数会随着气化压力提高而下降，合成气浓度随着压力增大而从42.40％减小到34.85％。随着生物质共混比的增加，CO选择性和气体热值增加。综合考虑模拟的结果以及生产高热值产气的需求，得出最适合气化反应的工况为:气化温度为700℃，空气当量比为0.25,气化压力为1bar,生物质共混比为0.3。 最后，基于上述结论，建立了基于污泥高效干化气化技术的热电联产系统，耦合污泥干燥与气化过程，创新性将内燃机高温烟气引入污泥热干化环节以提高系统能量利用效率。建立了热电联产的系统模型，选取了适当的参数对系统进行模拟，得到了系统中各项物质流热力参数。研究了生物质共混比对电、热、系统效率等系统热力特性的影响，并对系统的热电联产性能做出了评价。研究表明，生物质的添加会提高热电联产潜力以及气体产率，热电联产潜力从1.63kWh/kg增加到2.38kWh/kg,然而对电、热效率有所影响，导致电、热效率分别从34.54％、65.25％下降到29.48％、57.07％。所设计的热电联产系统能够满足当地居民人均年度28.34kWh的用电和192.85MJ的热能需求。
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