污泥焚燒過(guò)程中磷與重金屬共富集熱力學(xué)模擬開(kāi)題報(bào)告

1、學(xué) 號(hào)2012041201084沈陽(yáng)航空航天大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院畢業(yè)論文開(kāi)題報(bào)告污泥焚燒過(guò)程中磷與重金屬共富集熱力學(xué)模擬學(xué)生姓名張進(jìn)專業(yè)名稱環(huán)境工程指導(dǎo)教師李潤(rùn)東2016 年 3月10日 畢 業(yè) 論 文 開(kāi) 題 報(bào) 告題目名稱××××××××（小4號(hào)黑體，20磅行距）：污泥焚燒過(guò)程中磷與重金屬共富集熱力學(xué)模擬1、 課題來(lái)源及研究的目的和意義磷是所有生物體的重要元素,不能更換。如果按目前的開(kāi)采使用量估算，全球磷資源僅夠開(kāi)采50年左右1，我國(guó)磷礦資源儲(chǔ)量全球第二，約占全世界磷資源的30%。截止2008年，已探明資源儲(chǔ)量1

2、77.62億噸，其中可采儲(chǔ)量13.58億噸，基礎(chǔ)儲(chǔ)量35.64億噸2。我國(guó)磷礦資源的特點(diǎn)是“豐而不富”，資源儲(chǔ)量大，但品質(zhì)低，平均P2O5含量只有17%，P2O5含量大于30%的富礦僅占總儲(chǔ)量的9.38%。其次，我國(guó)磷礦資源開(kāi)采與利用難度大，絕大部分礦需經(jīng)選礦才能被利用，而我國(guó)磷礦易選礦少，難選膠磷礦多。所以如何有效地利用好磷資源，如何可持續(xù)地使用好僅剩的磷資源，成為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)3。污水處理過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生污水處理量1%2%的污泥4,污泥含有大量的植物營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)(如有機(jī)質(zhì)、N、P、K等)5，所以可以將污泥應(yīng)用到土地利用之中，但污泥中含有的有機(jī)污染物和重金屬，加大了土地利用的可行性。由于

3、重金屬在高溫容易揮發(fā)，所以將污泥焚燒處理是去除污泥中重金屬的主要方法。2、 國(guó)內(nèi)外在該方向的研究現(xiàn)狀及分析2.1國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀在污泥焚燒方面，中科學(xué)院工程熱物理研究所侯海盟博士研究了污泥焚燒過(guò)程中重金屬的形態(tài)和分布。通過(guò)化學(xué)熱力學(xué)平衡計(jì)算計(jì)算，研究污泥焚燒過(guò)程中Cu、Cd、Cr、Mn、Pb、Zn等重金屬元素形態(tài)和分布，探討S和Cl對(duì)其轉(zhuǎn)化的影響以及吸附劑的化學(xué)吸附效果。計(jì)算結(jié)果表明，污泥焚燒過(guò)程中Cd、Cu、Pb的揮發(fā)性較強(qiáng)，而Cr、Mn和Zn的揮發(fā)性較弱；由于生成了熔沸點(diǎn)較低的金屬氯化物，Cl會(huì)促進(jìn)Cd、Cu、Pb、Mn和Zn的揮發(fā)；S會(huì)與Cd和Pb結(jié)合生成硫酸鹽，對(duì)其具有一定的吸附作用；Al

4、2O3和SiO2都對(duì)Cd和Pb有一定吸附作用，S和Cl會(huì)影響其吸附效果。不過(guò)缺少了磷的影響，這點(diǎn)將在本次試驗(yàn)中加以驗(yàn)證6。在重金屬轉(zhuǎn)化方面，趙英杰基于固定床熱解反應(yīng)器，研究了生物質(zhì)熱解過(guò)程中鉀元素的遷移轉(zhuǎn)化行為。選用稻稈、化學(xué)分級(jí)洗稻稈及添加氯化鉀等不同無(wú)機(jī)化合物的纖維素作為研究對(duì)象，考察了熱解過(guò)程中四種賦存狀態(tài)鉀的遷移轉(zhuǎn)化；結(jié)合熱力學(xué)模擬，考察了不同無(wú)機(jī)元素對(duì)鉀遷移轉(zhuǎn)化的影響。雖然只是在生物質(zhì)中進(jìn)行研究，也缺少對(duì)鈣鎂等重金屬的遷移轉(zhuǎn)化的分析，但是細(xì)節(jié)豐富，對(duì)本次研究有重要的參考價(jià)值7。模擬軟件方面，東北大學(xué)辛雪倩基于熱力學(xué)計(jì)算軟件FactSage6.1，采用相圖計(jì)算與高溫相平衡實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方

5、法，對(duì)四元氧化物體系的熱力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了系統(tǒng)研究?；谒臒崃W(xué)軟件的計(jì)算結(jié)果，溫度對(duì)CaO-SiO2-Al2O3(8.3%)-FeOX四元體系及其CaO-SiO2-FeOX、CaO-Al2O3-FeOX和SiO2-Al2O3-FeOX三元子體系液相線位置和相平衡關(guān)系影響較大8。田洪鵬等人以SiO2-Al2O3-Fe2O3-CaO-MgO五元組分模擬灰作為研究對(duì)象。應(yīng)用FactSage得到不同CaO含量時(shí)體系的液含率和主要礦物質(zhì)含量，來(lái)預(yù)測(cè)CaO對(duì)熔融特性的影響。得出結(jié)論：在灰分焚燒過(guò)程中CaO是很好的助溶劑，而且本身也是高熔點(diǎn)氧化物，所以對(duì)于液含率的影響具有兩重性，在CaO含量為35%時(shí)液含率

6、達(dá)到最大值。這個(gè)發(fā)現(xiàn)對(duì)污泥的焚燒有很大幫助9。2.2國(guó)外研究現(xiàn)狀磷(P)是包括植物和動(dòng)物在內(nèi)的所有生物體的重要元素,不能被取代。因此，農(nóng)業(yè)需要大量磷來(lái)生產(chǎn)糧食（在歐盟15個(gè)成員國(guó)每年消費(fèi)超過(guò)120萬(wàn)噸磷肥）。然而,磷是不可再生資源,在不久的將來(lái)成為稀缺資源,所以應(yīng)該回收含磷廢蒸汽中的應(yīng)用中的磷。污水污泥是磷的載體,但通常含有有機(jī)污染物和重金屬。因此,將污水污泥應(yīng)用到傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)是一個(gè)有爭(zhēng)議的問(wèn)題。為了保護(hù)農(nóng)田免受污染物的積累,污水污泥處理積極用于發(fā)電廠或水泥行業(yè),但對(duì)于重新利用技術(shù)來(lái)說(shuō)在許多情況下是不可逆的。歐洲發(fā)現(xiàn)了污泥中磷的含量很高，已經(jīng)可以通過(guò)熱化學(xué)處理降低污泥中的重金屬含量，使得污泥中的磷

7、應(yīng)用到農(nóng)業(yè)中作為肥料。研究表明在大約1000的操作溫度下，在不同的污水污泥中的重金屬可以有效地去除。滿足了大多數(shù)歐洲國(guó)家的肥料條例的法律限制。經(jīng)過(guò)熱化學(xué)處理的磷的生物利用率得到了明顯的提高，可以使磷在檸檬酸中溶解度達(dá)到100%10。3、 研究方法通過(guò)HSC Chemistry進(jìn)行模擬。眾所周知，建立在熱力學(xué)三大定律基礎(chǔ)上的化學(xué)熱力學(xué)是人類經(jīng)驗(yàn)的高度概括和總結(jié)，由它們導(dǎo)出的結(jié)論和結(jié)果的正確性與可靠性，古今中外還未遇到過(guò)任何例外11。運(yùn)用熱力學(xué)原理解決問(wèn)題，不但結(jié)論正確，結(jié)果可靠，而且解決問(wèn)題的過(guò)程和方式也十分簡(jiǎn)潔，因此化學(xué)熱力學(xué)已廣泛應(yīng)用于自然科學(xué)的若干學(xué)科領(lǐng)域。HSC Chemistry是世界

8、上使用最廣泛的集成熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)軟件，由芬蘭奧托昆普(Outokumpu)研究中心開(kāi)發(fā)研制，其最新的7.0版擁有一個(gè)超過(guò)20000種無(wú)機(jī)物詳細(xì)熱力學(xué)性質(zhì)的數(shù)據(jù)庫(kù)以及針對(duì)不同應(yīng)用而設(shè)計(jì)的22個(gè)計(jì)算模塊，其模擬圖表可以被編輯，數(shù)據(jù)可以各種形式導(dǎo)出以便于第三方軟件進(jìn)行分析和作圖。作為較成熟的綜合熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)，HSC Chemistry軟件目前已被廣泛應(yīng)用于化學(xué)、化工、冶金、材料、環(huán)保等多個(gè)領(lǐng)域。驗(yàn)證此次實(shí)驗(yàn)中污泥中的磷在高溫狀態(tài)下與重金屬氧化物在各種反應(yīng)條件下的生成物組成，主要是應(yīng)用HSC5.0版本中的平衡相組成的計(jì)算模塊，該模塊的計(jì)算原理為首先擬合出體系中各相的熱力學(xué)性質(zhì)表達(dá)式，在滿足物料平衡方程的

9、前提下使恒溫、恒壓系統(tǒng)的吉布斯自由能最小，從而得到系統(tǒng)的平衡相組成。在計(jì)算過(guò)程中，只需輸入反應(yīng)系統(tǒng)的總壓和初始物質(zhì)的種類、數(shù)量、狀態(tài)以及在隨后變化過(guò)程中可能出現(xiàn)的穩(wěn)定相，就可以獲得在一定壓力和溫度條件下的平衡相組成。12需要指出的是由于沒(méi)有考慮到化學(xué)反應(yīng)的速率因素，因此HSC Chemistry并不能全面解決所有化學(xué)反應(yīng)的實(shí)際問(wèn)題，然而在許多情況下該軟件仍不失為一款高效、綠色、經(jīng)濟(jì)及強(qiáng)有力的化學(xué)科研輔助工具，能為化學(xué)研究快速準(zhǔn)確尋找到理論上最佳的反應(yīng)條件和最高產(chǎn)率，已在眾多領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。134、 研究方案及進(jìn)度安排，預(yù)期達(dá)到的目標(biāo)或成果4.1研究方案利用HSC Chemistry模擬軟件

10、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)M。選取一定量的原始污泥進(jìn)行烘干處理，再經(jīng)過(guò)研磨過(guò)篩處理后作為實(shí)驗(yàn)的樣品。采用SMT法測(cè)定污泥中磷的含量，作好記錄。本實(shí)驗(yàn)中利用standards,measurements,and testing（SMT）方法來(lái)分離不同形態(tài)的磷。SMT方法是在威廉姆斯方法上改進(jìn)而來(lái)的，此方法通過(guò)非連續(xù)提取將沉積物中的磷分為五種形態(tài)：總磷（TP），無(wú)機(jī)磷（IP），有機(jī)磷（OP），非磷灰石無(wú)機(jī)磷（NAIP）以及磷灰石無(wú)機(jī)磷（AP）。非磷灰石無(wú)機(jī)磷是鐵、鋁、錳的氧化物或氫氧化物與磷的結(jié)合物。磷灰石無(wú)機(jī)磷通常是磷與鈣的結(jié)合物。通過(guò)鉬藍(lán)比色法來(lái)測(cè)定五種形態(tài)磷的含量。已有研究利用此方法測(cè)定了污泥及沉積物種不同形

11、態(tài)的磷含量15-17。接下來(lái)取一定量污泥樣品進(jìn)行熱處理，每隔50為一個(gè)工況，使溫度分別控制在750、800、850、900、950、1000，提取殘留物，用SMT法測(cè)量試驗(yàn)后污泥中磷的含量，分析不同溫度對(duì)生成物組分的影響。然后在每組溫度下改變不同添加劑（主要是CaO和MgO）的量，把每組中CaO的百分含量控制在0%（用作參照實(shí)驗(yàn)），5%，10%，15%，20%，測(cè)定生成物組分；同理添加MgO也按相同含量添加，測(cè)定生成物組分。利用HSC Chemistry模擬軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)模擬，分析不同因素對(duì)生成物組分的影響，對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。4.2進(jìn)度安排第一周（2016.2.29-2016.3.4）進(jìn)行相關(guān)文獻(xiàn)

12、的查閱和整理；第二周（2016.3.7-2016.3.11）整理開(kāi)題報(bào)告，初步設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，進(jìn)行開(kāi)題答辯；第三周第四周（2016.3.14-2016.3.25）外出實(shí)習(xí)；第五周開(kāi)始（2016.3.28），進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)備，配合老師和學(xué)長(zhǎng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，收集分析數(shù)據(jù)，利用HSC Chemistry模擬軟件模擬理論數(shù)據(jù)，進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證工作；之后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和實(shí)驗(yàn)補(bǔ)充階段，撰寫(xiě)論文。4.3預(yù)期達(dá)到的目標(biāo)預(yù)計(jì)在五月中旬之前完成實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)收集工作，把不同因素（主要是溫度、不同添加劑的量和不同磷的量）對(duì)生成物的影響的結(jié)果匯集整理，撰寫(xiě)論文。5、 研究?jī)?nèi)容利用HSC Chemistry模擬軟件，通過(guò)輸入原始污泥的

13、數(shù)據(jù)，即化學(xué)成分：氧化物的形式、化學(xué)元素的形式。通過(guò)改變?cè)紨?shù)據(jù)中Ca的含量、Mg的含量、P的含量，模擬在不同的壓力、氣氛、溫度下，計(jì)算生成物的組成。6、 研究目的通過(guò)熱力學(xué)計(jì)算，理論模擬驗(yàn)證磷在高溫時(shí)與重金屬的反應(yīng)情況。模擬不同溫度和不同添加劑下磷與重金屬的反映情況，驗(yàn)證生成物的組成。7、主要參考文獻(xiàn)1中國(guó)國(guó)土資源部信息中心世界礦產(chǎn)資源年評(píng)M北京：地質(zhì)出版社，20092劉樹(shù)臣中國(guó)礦產(chǎn)資源年報(bào)R北京：北京國(guó)土資源部，20083鄢正華我國(guó)磷礦資源開(kāi)發(fā)利用綜述J礦冶，2011，20(3)：21254Lester J N，Sterrit R M，Kirk PW WSignificance and b

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15、北大學(xué)，20119田洪鵬，朱學(xué)棟，朱子彬應(yīng)用FactSage預(yù)測(cè)CaO助熔劑對(duì)模擬灰熔融特性的影響J上海市化學(xué)化工學(xué)會(huì)2008年度學(xué)術(shù)年會(huì)論文集，2008：1210C. Adam, B. Peplinski, M. Michaelis, G. Kley, F.-G. Simon，Thermochemical treatment of sewage sludge ashes for phosphorus recoveryJ，Waste Management 29 (2009) 1122112811劉光燦物理化學(xué)中化學(xué)熱力學(xué)的教與學(xué)J中國(guó)校外教育，2011(6)：174175，17912張光明，馮

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