基于化学链燃烧处置污泥的新方法及磷资源回收机理

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基本信息

  • 批准号:
    51476029
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    96.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    E0604.燃烧学
  • 结题年份:
    2018
  • 批准年份:
    2014
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2015-01-01 至2018-12-31

项目摘要

Sewage sludge is generated during wastewater treatment, and consists of organic and inorganic substances, as well as pathogens and disease-causing micro-organisms. Sludge incineration enjoys a combination of several advantages that are not found in other treatment alternatives, including a large reduction of sludge volume to a small stabilized ash, and thermal destruction of toxic organic constituents. One important issue of the conventional air-fired incineration of sludge is the emissions of pollutants gases including dioxins and furans, NOx, SO2, as well as HCl and CxHy. Phosphorus is an element vital for all living organisms, and the world's reserves of phosphate rock are becoming depleted. Phosphorus recovery from sludge ash is an essential aspect during sludge incineration treatment, and it is a relatively new sludge treatment technique. A novel technology for thermal treatment of sewage sludge based on chemical looping combustion (CLC) is proposed in the project. Due to O2 nonexistence in the fuel reactor, the potential production of polychlorinated dibenzodioxins and dibenzofurans can be eliminated, and NOx formation is restrained during the process of chemical looping combustion of sludge. Thus, the catalytic gasification reaction mechanism between oxygen carrier and alkali metals in sludge ash will be revealed in this project. The coupling reaction mechanism between the sludge gasification product and oxygen carrier, the transfer process of sludge gasification products in the subtle channels of oxygen carriers, the regular patterns involving mass transfer, heat transfer and momentum transfer in the multiphase flow and multiphase complex chemical reaction system will be obtained. Furthermore, the mechanism of collaborative control of pollutants in sludge conversion will be investigated. The migration behavior of phosphorus in sludge ash during CLC process is investigated. Phosphorus speciation in the sludge ash of fuel reactor will be identified based on the analysis of X-ray diffraction and X-ray fluorescence. During CLC process, both of the steam presence and the reduction condition in the fuel reactor result in the potential production of water-soluble phosphate. The water-soluble phosphate is favorable as agricultural fertilizers. Therefore, it can be indicated that CLC process is a favorable technology for sewage sludge treatment. The CLC sludge ash can be treated with acid to efficiently recover phosphorus and thus can be considered a potentially renewable source of phosphorus. A study of phosphorus recovery from CLC sludge ash will be investigated by adding sulfuric acid as well as hydrochloric acid to ash for the elution of phosphorus. The effects of acid concentration, temperature and time on phosphate extraction and heavy metal leaching are studied.
作为污水处理的终端产物,生活污泥的产量急剧增加。污泥含有病原体、重金属和持久性有机物等有毒有害物质,极易对环境造成二次污染。磷是人类和各种动植物生命活动必需的营养元素之一,磷资源的匮乏直接导致农作物不能正常生长,危及人类生存;构建磷素的持续循环体系,回收和利用污泥中磷,补偿全球磷矿的衰竭。基于化学链燃烧对生活污泥进行处置,不仅可以克服传统污泥焚烧方式和污染防治模式的局限,而且有望同时实现污染物协同脱除和磷资源回收利用。研究选择适合于污泥化学链燃烧的高反应性能的铁矿石载氧体,揭示污泥化学燃烧反应机理、多相复杂体系中热质传递与控制理论,污泥中磷、碱金属与载氧体协同催化污泥热解气化-载氧体还原反应动力学、气体污染物生成与竞争反应转化机理,污泥中氮、磷、硫、氯、碱金属以及矿物质对载氧体反应活性的影响,污泥灰中碱金属及矿物质对磷迁移、富集的反应机理,污泥灰烬回收磷的技术路线以及抑制重金属的溶出特性。

结项摘要

污泥中含有大量的有机物、无机物、有毒物质、营养物质(氮、磷、钾等)以及致病的微生物等。磷资源有限的储量以及磷单线性迁移过程造成了磷资源的匮乏。回收利用污泥中的磷,有利于补偿全球磷资源衰竭。化学链燃烧是一种新型的燃烧技术,其通过载氧体在两个反应器之间循环,完成了燃料的燃烧过程。与传统燃烧相比,化学链燃烧实现能量的梯级利用,具有CO2富集及低NOx排放等优点。本项目系统研究了污泥化学链燃烧特性及氮磷迁移转化行为。在污泥化学链燃烧过程中,污泥颗粒仅在燃料反应器内转化,没有未燃尽的焦炭颗粒随载氧体进入到空气反应器。燃料反应器温度的升高以及水蒸气浓度的增加均能显著提高污泥的燃烧特性。在长时间运行过程中赤铁矿具有良好的抗磨损性能。采用水泥-赤铁矿为载氧体时,污泥在低温下的燃烧效率显著提高;但是,载氧体中存在少部分Fe2O3还原到FeO,载氧体表面出现轻微的团聚现象。污泥化学链燃烧过程中生成的氮氧化物为NO,其排放量显著低于空气焚烧过程中氮氧化物(NO、NO2、N2O)的总排放量。采用水泥-赤铁矿时,污泥的燃烧效率和燃烧过程中NO的生成率均显著提高;采用Cu-Fe载氧体时,污泥的碳转化率、燃烧效率以及载氧体的反应活性均显著提高,NO生成率降低。在污泥化学链燃烧过程中,磷主要有三个迁移途径:CLC-挥发分磷、CLC-飞灰磷以及CLC-底灰磷。约60%左右的磷富集在污泥飞灰中。相比于污泥焚烧灰中有效磷的含量(1.80%),经化学链燃烧后,CLC-飞灰中有效磷的含量显著提高。磷与赤铁矿相互作用,导致赤铁矿反应活性显著下降。在长时间的循环反应过程中,污泥灰沉积在赤铁矿载氧体表面,与赤铁矿发生相互作用,降低了赤铁矿的反应活性。虽然污泥灰有大量铁和钙的存在,但由于污泥灰孔隙率和比表面积非常低,不利于还原性气体的反应。总之,采用化学链燃烧处置污泥不仅实现污泥的高效转化,而且实现污染物脱除以及磷资源的回收利用。

项目成果

期刊论文数量(43)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(5)
基于草木灰修饰Fe基载氧体的化学链燃烧实验
  • DOI:
    10.13738/j.issn.1671-8097.2015.04.008
  • 发表时间:
    2015
  • 期刊:
    热科学与技术
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    沈来宏;周玉飞;顾海明;牛欣;葛晖骏;肖军
  • 通讯作者:
    肖军
Cement/CaO-modified iron ore as oxygen carrier for chemical looping combustion of coal
水泥/CaO改性铁矿石作为煤化学循环燃烧的氧载体
  • DOI:
    10.1016/j.apenergy.2015.06.023
  • 发表时间:
    2015-11
  • 期刊:
    Applied Energy
  • 影响因子:
    11.2
  • 作者:
    Haiming Gu;Laihong Shen;Zhaoping Zhong;Xin Niu;Weidong Liu;Huijun Ge;Shouxi Jiang;Lulu Wang
  • 通讯作者:
    Lulu Wang
KNO_3修饰铁矿石化学链制氢试验研究
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2015
  • 期刊:
    东南大学学报(自然科学版)
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    吴黎锋;沈来宏;刘卫东;顾海明;牛欣
  • 通讯作者:
    牛欣
污泥化学链气化特性试验研究
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2016
  • 期刊:
    动力工程学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    陈倩文;沈来宏;牛欣
  • 通讯作者:
    牛欣
Chemical Looping Hydrogen Generation Using Potassium-Modified Iron Ore as an Oxygen Carrier
使用钾改性铁矿石作为氧载体化学循环制氢
  • DOI:
    10.1021/acs.energyfuels.5b02280
  • 发表时间:
    2016-01
  • 期刊:
    Energy & Fuels
  • 影响因子:
    5.3
  • 作者:
    Liu Weidong;Shen Laihong;Gu Haiming
  • 通讯作者:
    Gu Haiming

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其他文献

燃煤串行流化床置换燃烧分离CO2
  • DOI:
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  • 发表时间:
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  • 期刊:
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  • 影响因子:
    --
  • 作者:
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  • 通讯作者:
    肖睿
基于Fe_2O_3的煤化学链燃烧分级送风实验
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    --
  • 发表时间:
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  • 期刊:
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  • 影响因子:
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  • 作者:
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  • 通讯作者:
    高正平
具有CO2分离的煤气化化学链置换
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    东南大学学报,2005,V35(1)(EI)
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
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  • 通讯作者:
    沈来宏
Air blown partial gasification of coal in a pilot plant pressurized spout-fluid bed reactor
加压喷动流化床反应器中试装置中煤的鼓风部分气化
  • DOI:
    10.1016/j.fuel.2006.11.014
  • 发表时间:
    2007-07
  • 期刊:
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  • 影响因子:
    7.4
  • 作者:
    章名耀;段鈺峰;熊源泉;陈晓平;金保升;沈来宏;仲兆平;周宏仓;黄亚继;肖睿
  • 通讯作者:
    肖睿
气固同轴撞击流干燥试验研究
  • DOI:
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  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    工程热物理学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    张涛;杜敏;周宾;沈来宏;郝英立
  • 通讯作者:
    郝英立

其他文献

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基于单原子催化的化学链捕碳原位甲烷化机理
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AI项目解读示例

课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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