微波裂解污泥制取生物燃料的反应动力学及能量场动态模拟研究

微波因具有热量立体传递、效率高、设备小的优势引起广泛关注；而由污水处理产生的大量污泥已成为制约我国环境发展的前沿问题。本研究通过向污泥中添加微波能吸收物质可实现微波高温裂解污泥制取生物燃料；其中，微波能量场分布是影响裂解产物性能的关键因素，能量利用效能及产物性能优化是亟待解决的关键问题。本项目在考察不同因素对微波裂解污泥影响的基础上，确定裂解反应参数及产物性能特点，建立裂解反应动力学，明确裂解产物形成规律；利用有限元分析法、微波矢量网络分析技术等确定裂解过程微波能量场在复杂、多变、非均匀污泥体系中的分布规律，实现对微波能量场的动态模拟；并进一步分析裂解过程能量损耗途径及利用效能。通过解析裂解反应动力学、能量场分布特征、能量利用效能间的内在关联，确定微波裂解污泥的微观机制，实现以微波能量高效利用及裂解产物能源价值高、环境友好为目标的协同优化控制，为微波裂解污泥制取生物燃料提供理论依据和方案。

本研究分别以多模、单模微波为裂解源，以SiC、Fe2O3、污泥热解残渣为微波能吸收物质，实现污泥4-6min升温至900℃，10-15min完成高温热解。研究通过正交实验优化裂解反应条件，以矢量网络分析仪解析优化裂解条件下污泥相对介电参数，采用HFSS软件解析微波能量场在污泥体系及微波腔体内的时空分布规律，其中多模、单模微波能量场在污泥体系内均随相对介电参数增加而增大，以污泥热解残渣为微波能吸收物质时污泥体系内平均电磁场强度提升最大，多模、单模微波场污泥体系中平均电磁场强度为5.37×104V/m、5.76×102Λ/m和1.23×106V/m、1.96×104Λ/m，为湿污泥平均场强的3.63、11.64倍和820和150倍，单模微波利于能量场在污泥体系中的集中；单模、多模微波能量场在污泥体系中的场强均可随裂解物料长度的增加而增大。研究解析微波优化裂解污泥差热反应特征，建立反应动力学，将裂解反应分为三个阶段，反应级数均低于3，多模、单模微波裂解污泥反应活化能分别介于7.48-68.79 kJ/mol、0.27-58.37 kJ/mol范围内，平均反应活化能较传统污泥裂解分别降低34.5-50.6%、55.7-73.5%，单模微波能量场利于降低污泥裂解反应活化能。研究进一步分析反应产物特征，多模及单模微波裂解污泥气态产物高位热值分别达到9.64 MJ/m3、11.43MJ/m3，主要成分均为H2、O2、CO、CO2、CH4、C2H4、C2H6、C2H2，H2、CO分别占气态反应产物的15-55%、22-63%，具有能源价值；多模微波裂解液态产物由8族有机化合物构成，PAHs含量为3.23%-5.37%，低于传统污泥裂解液态产物PAHs21.42%的含量，液体产物低位热值34.72 MJ/kg；单模微波裂解液态产物中乙酸、乙醇、乙酰胺低分子有机物含量占56.90%-76.22%，未含有PAHs，其产物较单一，利于资源化利用。解析单模微波裂解污泥能量利用效能，以SiC、Fe2O3、热解污泥残渣为微波能吸收物质的单模微波裂解污泥能量利用率为32.74%、24.59%、63.91%，以污泥热解残渣作为微波能吸收物质，可有效提高微波能量利用效能。以上从多模、单模微波高温裂解污泥的场分布特征、反应动力学、产物特性及能量利用效能等方面的研究，为微波裂解污泥系统优化提供理论依据。