萬鑫云,周文武,孟德安,郭佳晨,商曉騰,吳迪,馬佳敏,朱可針,王加琪,旦增,張曉晗

(西藏大學(xué) 生態(tài)環(huán)境學(xué)院,西藏 拉薩 850000)

熱解是污泥熱轉(zhuǎn)化的重要途徑之一,熱解產(chǎn)物主要分為氣、液、固三相,控制操作參數(shù)可以優(yōu)化熱解產(chǎn)物成分,增加產(chǎn)物產(chǎn)率,優(yōu)化氣相、液相產(chǎn)物,制造可燃?xì)怏w、生物柴油等[1],達(dá)到污泥利用的高效能源化。污泥熱解是指在缺氧或無氧條件下,對(duì)脫水干化污泥進(jìn)行熱分解,轉(zhuǎn)化為不同形態(tài)碳?xì)浠衔颷2-3],產(chǎn)物有油、殘?jiān)筒荒龤鈁4]。污泥熱解可分為三個(gè)階段[5];第一階段為水分析出階段,第二階段為揮發(fā)分析出階段,第三階段為固定碳燃盡階段。由于污泥熱解主要階段處于第二階段[6],所以本文主要研究催化劑對(duì)此階段的作用。熱解過程的關(guān)鍵因素有溫度、升溫速率、熱解時(shí)間、催化劑[7]。一般來說,堿性添加劑和催化劑更具有吸引力,它們能從水氣轉(zhuǎn)移反應(yīng)中獲得較高的氫氣產(chǎn)率[8]。污泥熱解液態(tài)產(chǎn)品的利用受到高含氧量、不穩(wěn)定性和復(fù)雜成分的限制,導(dǎo)致液體產(chǎn)物質(zhì)量較差[9]。通過添加催化劑來提高液體產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量,這種工藝優(yōu)化方式深受人們關(guān)注[10]。

主要研究堿土金屬化合物作為催化劑對(duì)城市污泥、含油污泥和造紙污泥熱解產(chǎn)物的影響,通過文獻(xiàn)綜述采用對(duì)比分析提出優(yōu)選的催化劑,為污泥熱解產(chǎn)物資源化利用提供參考。

1 污泥熱解常用的催化劑類型

熱解是一種很有前景的技術(shù),它將有機(jī)材料在高溫?zé)o氧條件下熱裂解為固態(tài)、氣態(tài)和液態(tài)三相產(chǎn)物,實(shí)現(xiàn)污泥“還原、無害、資源化”[10]。

在熱解過程中添加催化劑,污泥熱解產(chǎn)物能夠被優(yōu)化,即油和氣體產(chǎn)率提升,品質(zhì)更好,殘?jiān)a(chǎn)量降低,熱解反應(yīng)條件發(fā)生變化,熱解反應(yīng)所需的時(shí)間減少,降低反應(yīng)溫度等[11]。在熱解反應(yīng)中添加合適的催化劑十分重要。

通過文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn),污泥熱解中常用的催化劑種類有金屬及金屬化合物、分子篩、礦物質(zhì)、污泥熱解殘?jiān)?不同種類催化劑的優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用注意事項(xiàng)見表1[11],對(duì)比發(fā)現(xiàn)污泥熱解催化劑的總體效果最好的是金屬化合物。其作為催化劑,能夠提高熱解氣產(chǎn)量、提升熱解油產(chǎn)率、降低熱解固體殘?jiān)?且金屬化合物種類多、容易獲取。但金屬化合物不同產(chǎn)生的催化效果及目標(biāo)產(chǎn)物有很大差別,使用時(shí)需要針對(duì)不同性質(zhì)的污泥選取合適的金屬化合物作為催化劑[11]。金屬化合物的催化劑主要是輕金屬化合物[12],由Al、Na、Ca、K構(gòu)成的化合物組成[10]。堿金屬鹽類催化劑(如NaOH、KOH、K2CO3、Na2CO3、KHCO3和Ca(OH)2)是目前廣泛使用的均質(zhì)催化劑,有效促進(jìn)水氣轉(zhuǎn)化反應(yīng),提高熱解產(chǎn)物中氫氣產(chǎn)量[13]。

表1 不同種類催化劑的優(yōu)缺點(diǎn)及注意事項(xiàng)

2 堿土金屬化合物對(duì)不同種類污泥熱解產(chǎn)物的影響

在熱解過程中,許多金屬元素對(duì)熱解液體產(chǎn)物的分布和質(zhì)量有著重要的影響[10]。在堿土金屬存在的情況下,液體產(chǎn)物的質(zhì)量會(huì)得到改善[14]。目前,堿土金屬是被實(shí)踐證明了的在工程應(yīng)用中具有顯著成效的金屬催化劑[15]。鋁物種能顯著提高液體產(chǎn)品的產(chǎn)量,而鈣物種、鈉物種和鉀物種能提升熱解產(chǎn)物中液體產(chǎn)品的品質(zhì)[10]。

不同的堿土金屬催化劑會(huì)影響到污泥氣態(tài)產(chǎn)物產(chǎn)率。高溫條件下,以堿性白云石為催化劑,采用兩段式催化熱解可以提高氣體產(chǎn)物的產(chǎn)率,其產(chǎn)物中氫氣產(chǎn)率最高可提高14倍[16]。CaO、CaO-半焦和半焦三種催化體系中,污泥熱解產(chǎn)氣效果最好的是三種體系中的CaO催化體系[17]。熱解過程中添加合適的半焦產(chǎn)物,在優(yōu)化產(chǎn)氣品質(zhì)時(shí)也能夠提高H2占比和焦油的產(chǎn)量。堿土金屬催化劑對(duì)污泥氧化產(chǎn)生H2具有積極作用[18]。

2.1 不同催化劑對(duì)城市污泥熱解產(chǎn)物的影響

城市污泥是城市污水處理無法避免的產(chǎn)物。污水通過濃縮脫水形成脫水污泥,即為城市污泥。隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,不斷擴(kuò)大的污水處理范圍,導(dǎo)致污泥的產(chǎn)量與日俱增。如果不能妥善安全地處置,將給生態(tài)環(huán)境帶來巨大的壓力[19]。

2.1.1 不同催化劑對(duì)城市污泥熱解氣相產(chǎn)物的影響

催化劑的添加能加強(qiáng)揮發(fā)物的二次裂解,提升氣體產(chǎn)物的產(chǎn)率[22-21]。CaO作為一種常見的CO2吸收劑,對(duì)于熱解氣體產(chǎn)率的提高有正面效果[22],對(duì)焦油物質(zhì)的分解具有催化作用[23]。以Ca(OH)2為代表的堿土金屬能夠影響CO、CH4和H2氣體釋放。相較于不添加催化劑時(shí),CO、CH4和H2產(chǎn)量分別提升0.53,0.36,0.34倍,CO2的產(chǎn)量沒有變化[1,24]。CaCO3熱分解產(chǎn)生的CO2對(duì)促進(jìn)污水污泥熱解CO的生成有重要作用,CO2誘導(dǎo)反應(yīng)通過貢獻(xiàn)額外的C和O來增加CO的生成,CaCO3顯著增加了CO的產(chǎn)量,且不影響H2和CH4的產(chǎn)量[25]。在CaO催化劑作用下,相較于無催化劑體系,H2體積分?jǐn)?shù)增加8.5%,CO和CO2體積濃度稍有增加,而CH4體積濃度減少,烯烴類C2H4體積濃度基本不變[26]。NaOH的催化作用是通過水氣轉(zhuǎn)移反應(yīng)抑制焦的形成,促進(jìn)CO的生成,進(jìn)而促進(jìn)H2的生成[18]。CH3COOK的添加在一定范圍內(nèi)可增大氣體的產(chǎn)率;催化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的不同,各氣體體積分?jǐn)?shù)差異較大,尤其對(duì)H2的體積分?jǐn)?shù)影響較大;氣體的熱值隨催化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而減小,但減小幅度不大[27]。

堿土金屬化合物催化劑的種類和用量對(duì)產(chǎn)氣率有顯著影響,一般情況下,在堿催化劑的存在的情況下,產(chǎn)氣率會(huì)增加,Ca(OH)2除外。當(dāng)Ca(OH)2濃度增加時(shí),產(chǎn)氣率會(huì)急劇下降[24]。然而,其他催化劑的濃度增加,產(chǎn)氣量皆先增加后降低。隨著Ca(OH)2催化劑濃度的增加,氫的富集增強(qiáng),導(dǎo)致H2產(chǎn)率略有下降[28]。K2CO3催化劑在提高產(chǎn)氣量方面比其他催化劑更有效,特別是當(dāng)K2CO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0%增加到8%時(shí),H2產(chǎn)率從0.68 mol/kg OM增加到3.45 mol/kg OM,增加了5倍。KOH、Na2CO3和NaOH催化劑分別將H2收率提高了約3.7,2.0倍和4.0倍[29]。與H2產(chǎn)率不同,添加高濃度堿催化劑時(shí)CO2產(chǎn)率降低,尤其是Ca(OH)2。當(dāng)Ca(OH)2濃度增加時(shí),CO2產(chǎn)率大概降低了18倍。對(duì)于其他催化劑,隨著催化劑濃度的增加,CO2產(chǎn)率先上升后下降。催化劑的濃度在催化劑種類相同時(shí)對(duì)CO和CH4產(chǎn)率沒有顯著影響,大致保持穩(wěn)定[8]。AlCl3作為催化劑時(shí)污泥氣化氣體產(chǎn)率和H2產(chǎn)率顯著增加,AlCl3添加質(zhì)量從0%增加到6%,H2產(chǎn)率由0.27 mol/kg有機(jī)質(zhì)增加到11.52 mol/kg。在6%添加質(zhì)量下,氫氣產(chǎn)率提高了43倍[13]。

綜上可知,對(duì)城市污泥熱解氣相產(chǎn)物有較好效果的催化劑有CaO+半焦,明顯提高了H2占比;CaCO3明顯增加了CO的產(chǎn)量,且沒有對(duì)H2和CH4的產(chǎn)量造成影響。NaOH能夠通過抑制焦碳的形成,促進(jìn)CO和H2的生成。AlCl3的添加明顯增加了污泥氣化H2產(chǎn)率;K2CO3催化劑在提高產(chǎn)氣量方面比其他催化劑更有效。

2.1.2 不同催化劑對(duì)城市污泥熱解液相產(chǎn)物的影響

CaCl2作為催化劑可以降低液體產(chǎn)物中的O含量。此外,加成基團(tuán)的N含量高于干污泥基團(tuán),表明鈣基催化劑中CaCl2催化劑促進(jìn)了污泥中的氮向液體產(chǎn)物中轉(zhuǎn)移。在反應(yīng)溫度為800 ℃時(shí),CaO組的C含量最高,O含量最低,分別為85.34%和3.12%,為高碳化合物,說明CaO促進(jìn)了脫氧和碳化[10],各添加組的氮含量均低于MS組[30],表明鈣基催化劑能促進(jìn)液體產(chǎn)物的脫氮。CaO、CaO+半焦、半焦三種不同的催化劑體系對(duì)污泥液相產(chǎn)物產(chǎn)率影響不同,CaO+半焦體系作用下焦油產(chǎn)率達(dá)到48.36%,在三種催化體系中的占比最大[17]。K2CO3、Ca(OH)2對(duì)城市污泥熱解液體中部分化合物質(zhì)的分解效果理想,K2CO3、Ca(OH)2對(duì)污泥熱解的影響主要差別在芳香含氮化合物和雜環(huán)含氮化合物這兩種物質(zhì)上,K2CO3促進(jìn)上述兩種物質(zhì)的分解,而Ca(OH)2則促進(jìn)上述兩種化合物質(zhì)的生成[1]。污泥熱解時(shí)添加CaCO3后污泥熱解產(chǎn)生的液體產(chǎn)物中芳香族化合物的組成較原污泥增加5%,而多環(huán)芳烴的組成較原污泥減少了7%[25,31]。

不添加堿土金屬化合物作為催化劑時(shí),污泥單獨(dú)氣化液相TOC含量高達(dá)6 688 mg/L。添加AlCl3作為催化劑后液相TOC含量迅速降低,在質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%添加量下,液相TOC含量下降到5 258 mg/L,隨著AlCl3繼續(xù)添加到質(zhì)量分?jǐn)?shù)6%,TOC含量降低至3 857 mg/L。添加AlCl3后液相產(chǎn)物中總酚濃度增加。隨著添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0%增加到4%,液相總酚質(zhì)量濃度由80.75 mg/L增加到141.75 mg/L,增加了75%。在質(zhì)量分?jǐn)?shù)6%添加量時(shí),液相總酚濃度較質(zhì)量分?jǐn)?shù)4%添加量時(shí)略低,高于污泥單獨(dú)氣化液相總酚濃度[13]。不同催化劑對(duì)液渣特性有不同的影響,用化學(xué)需氧量對(duì)廢液中剩余有機(jī)物進(jìn)行表征,大多數(shù)情況下,廢液中的COD幾乎不隨催化劑濃度的增加而變化。液相產(chǎn)物中,總酚的濃度一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn),增加堿土金屬化合物催化劑的濃度可以降低液渣中總酚的濃度[8]。但是,在KOH催化劑的存在下,COD的含量較不添加催化劑增加了50%,同時(shí),堿土金屬化合物催化劑的加入促進(jìn)了液體殘?jiān)杏袡C(jī)物的氣化,在K2CO3催化劑的作用下,COD的含量較不添加催化劑降低了約20%。這些結(jié)果與Kruse等人[32]得到的結(jié)果有所不同,他們報(bào)告了鉀鹽K2CO3的存在增加了苯酚液體殘留物的濃度。

綜上可知,對(duì)城市污泥熱解液相產(chǎn)物有較好效果的催化劑有CaO+半焦催化體系,熱解焦油產(chǎn)率高達(dá)48.36%,為CaO、CaO+半焦、半焦三種體系中最大值,同時(shí)鈣基催化劑能促進(jìn)液體產(chǎn)物的脫氮和脫氧;添加CaCO3后污泥熱解產(chǎn)生的液體產(chǎn)物中芳香族化合物增加了5%,多環(huán)芳烴的組成較原污泥減少了7%;添加AlCl3后液相TOC含量迅速降低;在K2CO3催化劑的存在下,COD的含量較不添加催化劑降低了約20%。

2.1.3 不同催化劑對(duì)城市污泥熱解固相產(chǎn)物的影響

當(dāng) CaO作為催化劑時(shí),添加CaO能促進(jìn)污泥熱解,增加總失重率,降低半焦產(chǎn)率[10]。污泥中添加CaCO3可減少熱解后剩余固體產(chǎn)物的產(chǎn)量[17,25],和陳江[5]等人研究得到的結(jié)論一致。在其他熱解條件相同的情況下,將不加入MgO和加入MgO作為催化劑進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn),加入催化劑的一組失重率為34.12%,而未加入的一組失重率為17.7%。且添加MgO的殘?jiān)|(zhì)量低于不添加MgO的殘?jiān)|(zhì)量,這是因?yàn)槌鞘猩罾侵饕欣w維素、半纖維素、木質(zhì)素、淀粉和果膠的生物質(zhì)[33-34]。

研究表明,添加AlCl3可以促進(jìn)小分子聚合生成酚類,抑制小分子聚合生成焦炭,添加AlCl3后固相產(chǎn)物中焦炭含量降低。隨著AlCl3添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0%增加到6%,焦炭質(zhì)量含量從8.40%降到5.74%,減少約32%[13]。脫水污泥熱解時(shí)加入堿性催化劑大大抑制了焦油和焦炭的形成,Ca(OH)2除外。當(dāng)催化劑的濃度增加時(shí),固相產(chǎn)物中的焦炭濃度降低。在催化劑濃度相同的情況下,鉀鹽催化劑的效果最好,其中以K2CO3最有效,焦炭質(zhì)量降低了約53.8%。而在使用Ca(OH)2作催化劑時(shí),焦炭的濃度明顯增加,所得值大于理論值[8]。

綜上可知,對(duì)城市污泥熱解固相產(chǎn)物有較好效果的催化劑有CaO、CaCO3、K2CO3,CaO的添加在促進(jìn)污泥熱解的過程中有利于熱解產(chǎn)物中半焦產(chǎn)率降低;添加K2CO3后,焦炭質(zhì)量降低了53.8%;CaCO3的添加能夠減少熱解產(chǎn)物中固體產(chǎn)物的數(shù)量。

2.2 不同催化劑對(duì)含油污泥熱解產(chǎn)物的影響

含油污泥按來源的不同可分為三類,如圖1所示[35-36]。

圖1 含油污泥的來源及分類

含油污泥組成各異,通常含水率在40%～90%之間,同時(shí)伴有一定量的固體[37-38]。國內(nèi)外含油污泥的處理技術(shù)中,目前主要有熱洗、萃取、生物處理、熱解處理等,其中熱解技術(shù)具有處理徹底、減量化效果明顯、可回收油氣資源等特點(diǎn),是目前規(guī)?；瘧?yīng)用的主流技術(shù)之一。含油污泥的熱解過程主要分為水分析出、輕質(zhì)油揮發(fā)、重質(zhì)油分解和其他有機(jī)物分解等四個(gè)過程[39],提高油回收率、降低熱解反應(yīng)能耗是該技術(shù)的關(guān)鍵[40]。

2.2.1 不同催化劑對(duì)含油污泥熱解氣相產(chǎn)物的影響

KOH作為催化劑使用時(shí)可以增加含油污泥熱解產(chǎn)氣率提升,為確保KOH作為催化劑使用具有普遍性,對(duì)兩種不同的含油污泥進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)加入KOH后,產(chǎn)氣率都有所提升[41]。白云石對(duì)含油污泥的熱解具有很好的催化作用,約為非催化熱解產(chǎn)生的氫氣量的14倍[16]。一些具有高催化活性的催化劑降低了液體產(chǎn)率而增加了氣體產(chǎn)物。如,具有強(qiáng)酸性位點(diǎn)的催化劑,會(huì)加速聚丙烯和聚乙烯裂解為氣體,導(dǎo)致液體收率降低氣體產(chǎn)物增加[42]。CuO、NaOH作為催化劑時(shí),能提升油泥向氣體產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化效率,增加氣體產(chǎn)物的產(chǎn)量[43]。

綜上可知,KOH、CuO、NaOH作催化劑能提高含油污泥熱解氣體產(chǎn)物的產(chǎn)率和質(zhì)量,但同時(shí)會(huì)降低液體產(chǎn)率。

2.2.2 不同催化劑對(duì)含油污泥熱解液相產(chǎn)物的影響

黏度和熱值是決定油的質(zhì)量的兩個(gè)重要因素。研究表明,以下幾種催化劑對(duì)含油污泥熱解油品質(zhì)的改善程度依次為KOH>KCl>K2CO3>NaOH>Na2CO3>NaCl>無催化劑。KOH作催化劑時(shí)裂解油的質(zhì)量最好,介于柴油和燃料油之間。催化劑按KCl>Na2CO3>NaCl>無催化劑>NaOH>K2CO3>KOH的順序提高液體產(chǎn)率[44]。其中一些具有高度催化活性的催化劑KOH、K2CO3和NaOH降低了熱解產(chǎn)物的液體產(chǎn)率,提高液體油的質(zhì)量。KOH對(duì)熱解油質(zhì)量改善表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面,平均分子量小、黏度低、熱值高、瀝青質(zhì)少、直鏈烴多[41]。Luo W[10]和shie[44]等研究發(fā)現(xiàn),隨著KOH的加入,含油污泥熱解過程中產(chǎn)液率下降,產(chǎn)氣率和固渣增加,油品的黏度明顯降低,熱值增加,熱解油的平均分子質(zhì)量降低,簡化分子組成提高了熱解油的品質(zhì)。在含油污泥中添加CaO作為添加劑進(jìn)行催化熱解后獲得的油產(chǎn)物富含脂肪烴,含硫量低,高位熱值達(dá)到42 MJ·kg-1[45]。CaO和NiO均促進(jìn)了脂肪烴和芳香烴向更輕質(zhì)油的轉(zhuǎn)化;NiO對(duì)芳香烴的轉(zhuǎn)化作用更明顯[46]。對(duì)鋁基和鐵基化合物進(jìn)行對(duì)比,研究發(fā)現(xiàn)添加劑提高液體產(chǎn)率的順序?yàn)?Al>Fe2(SO4)3·nH2O>Fe>Fe2O3>FeCl3>不添加催化劑>AlCl3>FeSO4·7H2O>Al2O3,其中Fe2O3和Fe2(SO4)3·nH2O的添加提高了熱解油的液體質(zhì)量,添加Al和Fe2(SO4)3·nH2O的液體產(chǎn)率最高[42]。

綜上可知,對(duì)含油污泥熱解液相產(chǎn)物有較好效果的催化劑有KOH,得到的裂解油的質(zhì)量最好,介于柴油和燃料油之間;Fe2O3和Fe2(SO4)3·nH2O的添加提高了熱解油的液體質(zhì)量;添加Fe2(SO4)3·nH2O的液體產(chǎn)率最高。

2.2.3 不同催化劑對(duì)含油污泥熱解固相產(chǎn)物的影響

碳是固體殘?jiān)闹饕?K2CO3是378～740 ℃中最活躍的催化劑,在740 ℃時(shí),添加K2CO3時(shí)的固體殘?jiān)钌?。添加Na2CO3的固體殘?jiān)械奶荚叵鄬?duì)于不添加添加劑的變化不明顯。然而,在NaCl、NaOH、K2CO3、KOH和KCl作催化劑的情況下,碳元素含量急劇減少。添加NaOH、K2CO3、KOH、KCl作為催化劑時(shí)C/H值分別為9.55,14.65,16.44,17.44,C/H值低于未添加添加劑的24.86。這是由于使用NaOH、K2CO3、KOH和KCl添加劑時(shí)炭的還原率較高[44]。Shie[44,47]等人對(duì)兩種不同的含油污泥進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)隨著KOH的加入,熱解產(chǎn)物中固體殘?jiān)a(chǎn)率增加了一倍[41]。在熱解過程中添加活性白土作為催化劑,固相產(chǎn)物中N元素含量顯著升高,H元素含量顯著降低,表明活性白土作為催化劑在熱解過程中起到了固氮脫氫的效果[44]。

綜上可知,對(duì)含油污泥熱解固相產(chǎn)物有較好效果的催化劑有K2CO3、活性白土,添加K2CO3時(shí)的固體殘?jiān)钌?活性白土作為催化劑在熱解過程中能夠固氮脫氫。

2.3 不同催化劑對(duì)造紙污泥熱解產(chǎn)物的影響

造紙污泥是造紙廢水在處理過程中產(chǎn)生的沉淀物,主要包括不溶性纖維素、填料、凝聚劑、生化污泥和其他污染物。造紙污泥熱解產(chǎn)物以焦油、炭、水和二氧化碳為主。有研究表明在眾多催化劑中鈉化合物和鉀化合物的催化效果更顯著且價(jià)格低廉,但鈉和鉀的化合物很多,哪種更能促進(jìn)污泥熱解還有待進(jìn)一步研究[48]。

熱解過程中是否添加MgO污泥對(duì)熱解產(chǎn)物中CO2的釋放沒有顯著影響,添加MgO能減少污染物中CO、SO2、NO、HCl的排放, MgO的使用降低了油的產(chǎn)率,液相產(chǎn)物中含氮和含氮化合物的比例明顯降低。與不加催化劑相比, 3種催化劑Na2CO3、Na2SO4、NaCl的加入均使污泥熱解轉(zhuǎn)化率有所升高,加入Na2CO3后轉(zhuǎn)化率最高,比不加催化劑提高了約21%。與不加催化劑相比, 3種催化劑K2CO3、K2SO4和KCl的加入均使污泥熱解轉(zhuǎn)化率有所升高,且加入K2CO3后轉(zhuǎn)化率最高,相較于不加催化劑提高了約22%[6]。添加堿土金屬催化劑后,污泥熱解產(chǎn)物中固體產(chǎn)物均有所降低,其中Fe2O3、CuO、Al2O3均有顯著影響,相較于未添加催化劑固體產(chǎn)物分別降低了3.63%,3.26%,3.01%[51]。

綜上可知,對(duì)造紙污泥熱解產(chǎn)物有較好效果的催化劑有MgO、 Na2CO3、K2SO4,添加MgO能減少污染物總量CO、SO2、NO、HCl的排放;Na2CO3、K2SO4均使污泥熱解轉(zhuǎn)化率提高20%以上。

3 總結(jié)與展望

3.1 總結(jié)

本文主要介紹了針對(duì)不同種類的污泥添加不同催化劑對(duì)熱解產(chǎn)物產(chǎn)率和質(zhì)量的影響研究進(jìn)展,如表2所示。

表2 不同種類污泥添加各種催化劑對(duì)污泥熱解產(chǎn)物的影響

以K+為代表的堿金屬可以降低污泥熱解焦炭、液體產(chǎn)率,增加氣體產(chǎn)率。以Ca2+為代表的堿土金屬可以促進(jìn)污泥中有機(jī)物質(zhì)的分解,增加污泥熱解氣體、水分的產(chǎn)量,降低污泥熱解焦油、焦炭的產(chǎn)量。由于污泥種類的不同,污泥熱解三相產(chǎn)物的產(chǎn)率、組成成分之間變化顯著。但液體成分基本位于30%～50%之間。以污泥熱解焦炭作為催化劑時(shí),在焦炭的作用下,污泥熱解氣體、液體產(chǎn)率增加,品質(zhì)上升,污泥熱解液體中脂肪族化合物增加,提高熱解液體品質(zhì),增加熱解液體燃燒熱值。不同種類的污泥熱解焦炭的催化效果不同,污泥熱解焦炭中的礦物質(zhì)和焦炭豐富的孔隙結(jié)構(gòu)是決定其催化作用的主要因素。使用污泥熱解焦炭作為催化劑既降低催化劑成本,又提高了污泥熱解產(chǎn)物品質(zhì)。

3.2 展望

堿土金屬催化劑在污泥熱解中具有良好的應(yīng)用前景。堿土金屬催化劑能夠促進(jìn)污泥熱解反應(yīng)的進(jìn)行,提高反應(yīng)速率,同時(shí)也能夠控制產(chǎn)物的生成。

(1)后續(xù)可以深入探究堿土金屬催化劑的作用機(jī)理;優(yōu)化催化劑的配比和制備工藝,提高催化效率;探索不同類型催化劑的應(yīng)用組合,實(shí)現(xiàn)最佳效果;探索產(chǎn)物處理技術(shù),提高產(chǎn)品品質(zhì)和價(jià)值。

(2)不同類型的催化劑能夠促進(jìn)不同類型的反應(yīng),因此不同催化劑的應(yīng)用將會(huì)影響污泥熱解產(chǎn)物的種類和產(chǎn)量。目前催化劑大多采用單相催化劑,在高溫和高壓下反應(yīng),反應(yīng)速度比較慢,而多相催化劑可以使反應(yīng)速率顯著提高,并且對(duì)產(chǎn)物的分離和凈化有很好的效果。

(3)催化劑在污泥熱解中的應(yīng)用有望帶來可持續(xù)的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益,促進(jìn)廢物資源化的實(shí)現(xiàn)。在研究和應(yīng)用催化劑時(shí),需要考慮催化劑的成本、穩(wěn)定性以及其對(duì)環(huán)境的影響等因素,從而確定合適的催化劑應(yīng)用于污泥熱解中。