温度、升温速率、停留时间对城市污泥热解的影响分析

了解城市污泥热解特点是能否更好开展污泥处理处置和残渣再利用的关键，城市污泥热解影响参数主要包括温度、升温速率、停留时间、压力、污泥粒度以及反应气氛等。这些参数影响着污泥热解产物的性质，然而重要的因素是温度、升温速率以及停留时间。下面是温度、升温速率、停留时间对城市污泥热解的影响分析。

城市污泥热解机理

1温度对城市污泥热解的影响

温度对污泥热解产物的分布和特性有很大的影响。事实上，随着污泥热解反应温度的不断升高，最初观察到污泥中大部分水分的蒸发；随后反应开始释放出挥发分及生成热解油，包括之后的脱氧、脱羧及二次裂化等。此外，热解温度的升高大大改善了反应炉内的吸热反应，开始热解油的分解，产生更多的合成气及气体产物。

在300℃左右，城市污泥分解迅速。在450~650°C温度下，有机键断裂，热解油产率逐渐增加，随着温度升高，热解油中的键活性断裂，气体产量增加。随着热解温度升高至400℃时，城市污泥中开始低分子量碳氢化合物和高分子量有机化合物的降解和挥发，热解产物急剧析出，造成城市污泥热解整个过程最高的质量损失（47%）。另外，污泥含水率的不同，温度对热解的影响也有不同。在600°C下，60%含水率的污泥最先热解完毕形成渣态，70%含水率的污泥次之，80%含水率的污泥最后形成渣态；随着含水率的增加，同一温度下H2的含量先增后减，CO含量逐渐下降。

城市污泥中的重金属主要以碳酸盐、磷酸盐、硅酸盐、氢氧化物、硫化物以及络合物的形式存在，自由离子的形式很少。因此，重金属的迁移行为特性与其形成的化合物类型、沸点紧密相关。当反应温度达到金属或其化合物相应的沸点时，会转化成气体挥发导致重金属在焦炭中的浓度偏低。环境生物利用度、生物毒性和迁移率通常被重金属化学形态决定。根据BCR顺序提取法，金属分为以下4个部分：酸溶性部分（弱酸提取态，F1）、可还原态部分（F2）、可氧化态部分（F3）、残渣态部分（F4）。其生态毒性强弱顺序如下：F1＞F2＞F3＞F4。并且F1+F2是重金属生物可利用态，F3+F4是重金属稳定态。在350℃时，污泥生物炭的F1+F2组分中6种重金属含量下降（Zn、Cu、Cr、Pb、Ni、Cd）；当温度在750℃时，F1+F2中Cr的质量分数下降了31.59%，F3+F4中Cr的质量分数上升了31.59%，表明温度升高有助于固定污泥中的重金属，降低其生物利用度、迁移率和环境生物毒性。随着热解温度升高，Cr、Cu等金属以生物可利用态存在于污泥组分中，并和碳酸盐等有机物相结合，更利于稳定。这也说明了热解温度的变化使重金属化学形态发生了变化。

2升温速率对城市污泥热解的影响

随着热解温度达到高温区，挥发分的析出量也开始逐渐减少，一方面热解过程产生的自由基具有较高活化能，与其他基团（H、CxHx）等结合产生难降解挥发的油类物质，不利于污泥中挥发分的析出；另一方面，升温速率的升高导致内部温度高于外部温度，炭化程度加剧，分解反应提前终止，导致挥发分析出量的减少。污泥热解中重金属的残留率与升温速率有关，升温速率越大时，重金属的残留率越大，这可能是由于污泥内外部温度不一，导致重金属析出量减少。此外，污泥种类的不同，升温速率的影响也有所不同，升温速率增大，印染和污水处理厂污泥总失重量减少，而中药污泥总失重量增大。

3停留时间对城市污泥热解的影响

污泥热解停留时间的不同，城市污泥降解的产物和产量也会不同。在一项城市污泥与农业秸秆共热解制备生物炭研究结果表明，较长的停留时间允许更易挥发的生物质分子被裂解，更多的有机物被分解，有助于生物炭中孔结构的产生和扩展，同时在30~90min内，生物炭中重金属的含量随停留时间的增加而增加，这可能是由于C、H、O和N的损失随着停留时间增加而增加，导致这些金属的含量也相对增加。随着固体停留时间的增加，热解油转化率提高，气相产物和固相产物也随之增加。