1、學 號2012041201084沈陽航空航天大學能源與環境學院畢業論文開題報告污泥焚燒過程中磷與重金屬共富集熱力學模擬學生姓名張進專業名稱環境工程指導教師李潤東2016 年 3月10日 畢 業 論 文 開 題 報 告題目名稱××××××××（小4號黑體，20磅行距）：污泥焚燒過程中磷與重金屬共富集熱力學模擬1、 課題來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。如果按目前的開采使用量估算，全球磷資源僅夠開采50年左右1，我國磷礦資源儲量全球第二，約占全世界磷資源的30%。截止2008年，已探明資源儲量1

2、77.62億噸，其中可采儲量13.58億噸，基礎儲量35.64億噸2。我國磷礦資源的特點是“豐而不富”，資源儲量大，但品質低，平均P2O5含量只有17%，P2O5含量大于30%的富礦僅占總儲量的9.38%。其次，我國磷礦資源開采與利用難度大，絕大部分礦需經選礦才能被利用，而我國磷礦易選礦少，難選膠磷礦多。所以如何有效地利用好磷資源，如何可持續地使用好僅剩的磷資源，成為我國國民經濟發展的重要環節3。污水處理過程中會產生污水處理量1%2%的污泥4,污泥含有大量的植物營養物質(如有機質、N、P、K等)5，所以可以將污泥應用到土地利用之中，但污泥中含有的有機污染物和重金屬，加大了土地利用的可行性。由于

3、重金屬在高溫容易揮發，所以將污泥焚燒處理是去除污泥中重金屬的主要方法。2、 國內外在該方向的研究現狀及分析2.1國內研究現狀在污泥焚燒方面，中科學院工程熱物理研究所侯海盟博士研究了污泥焚燒過程中重金屬的形態和分布。通過化學熱力學平衡計算計算，研究污泥焚燒過程中Cu、Cd、Cr、Mn、Pb、Zn等重金屬元素形態和分布，探討S和Cl對其轉化的影響以及吸附劑的化學吸附效果。計算結果表明，污泥焚燒過程中Cd、Cu、Pb的揮發性較強，而Cr、Mn和Zn的揮發性較弱；由于生成了熔沸點較低的金屬氯化物，Cl會促進Cd、Cu、Pb、Mn和Zn的揮發；S會與Cd和Pb結合生成硫酸鹽，對其具有一定的吸附作用；Al

4、2O3和SiO2都對Cd和Pb有一定吸附作用，S和Cl會影響其吸附效果。不過缺少了磷的影響，這點將在本次試驗中加以驗證6。在重金屬轉化方面，趙英杰基于固定床熱解反應器，研究了生物質熱解過程中鉀元素的遷移轉化行為。選用稻稈、化學分級洗稻稈及添加氯化鉀等不同無機化合物的纖維素作為研究對象，考察了熱解過程中四種賦存狀態鉀的遷移轉化；結合熱力學模擬，考察了不同無機元素對鉀遷移轉化的影響。雖然只是在生物質中進行研究，也缺少對鈣鎂等重金屬的遷移轉化的分析，但是細節豐富，對本次研究有重要的參考價值7。模擬軟件方面，東北大學辛雪倩基于熱力學計算軟件FactSage6.1，采用相圖計算與高溫相平衡實驗相結合的方

5、法，對四元氧化物體系的熱力學性質進行了系統研究。基于她的熱力學軟件的計算結果，溫度對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象。應用FactSage得到不同CaO含量時體系的液含率和主要礦物質含量，來預測CaO對熔融特性的影響。得出結論：在灰分焚燒過程中CaO是很好的助溶劑，而且本身也是高熔點氧化物，所以對于液含率的影響具有兩重性，在CaO含量為35%時液含率

6、達到最大值。這個發現對污泥的焚燒有很大幫助9。2.2國外研究現狀磷(P)是包括植物和動物在內的所有生物體的重要元素,不能被取代。因此，農業需要大量磷來生產糧食（在歐盟15個成員國每年消費超過120萬噸磷肥）。然而,磷是不可再生資源,在不久的將來成為稀缺資源,所以應該回收含磷廢蒸汽中的應用中的磷。污水污泥是磷的載體,但通常含有有機污染物和重金屬。因此,將污水污泥應用到傳統農業是一個有爭議的問題。為了保護農田免受污染物的積累,污水污泥處理積極用于發電廠或水泥行業,但對于重新利用技術來說在許多情況下是不可逆的。歐洲發現了污泥中磷的含量很高，已經可以通過熱化學處理降低污泥中的重金屬含量，使得污泥中的磷

7、應用到農業中作為肥料。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。滿足了大多數歐洲國家的肥料條例的法律限制。經過熱化學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到100%10。3、 研究方法通過HSC Chemistry進行模擬。眾所周知，建立在熱力學三大定律基礎上的化學熱力學是人類經驗的高度概括和總結，由它們導出的結論和結果的正確性與可靠性，古今中外還未遇到過任何例外11。運用熱力學原理解決問題，不但結論正確，結果可靠，而且解決問題的過程和方式也十分簡潔，因此化學熱力學已廣泛應用于自然科學的若干學科領域。HSC Chemistry是世界

8、上使用最廣泛的集成熱力學數據庫軟件，由芬蘭奧托昆普(Outokumpu)研究中心開發研制，其最新的7.0版擁有一個超過20000種無機物詳細熱力學性質的數據庫以及針對不同應用而設計的22個計算模塊，其模擬圖表可以被編輯，數據可以各種形式導出以便于第三方軟件進行分析和作圖。作為較成熟的綜合熱力學數據庫，HSC Chemistry軟件目前已被廣泛應用于化學、化工、冶金、材料、環保等多個領域。驗證此次實驗中污泥中的磷在高溫狀態下與重金屬氧化物在各種反應條件下的生成物組成，主要是應用HSC5.0版本中的平衡相組成的計算模塊，該模塊的計算原理為首先擬合出體系中各相的熱力學性質表達式，在滿足物料平衡方程的

9、前提下使恒溫、恒壓系統的吉布斯自由能最小，從而得到系統的平衡相組成。在計算過程中，只需輸入反應系統的總壓和初始物質的種類、數量、狀態以及在隨后變化過程中可能出現的穩定相，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有考慮到化學反應的速率因素，因此HSC Chemistry并不能全面解決所有化學反應的實際問題，然而在許多情況下該軟件仍不失為一款高效、綠色、經濟及強有力的化學科研輔助工具，能為化學研究快速準確尋找到理論上最佳的反應條件和最高產率，已在眾多領域獲得了廣泛應用。134、 研究方案及進度安排，預期達到的目標或成果4.1研究方案利用HSC Chemistry模擬軟件

10、進行實驗模擬。選取一定量的原始污泥進行烘干處理，再經過研磨過篩處理后作為實驗的樣品。采用SMT法測定污泥中磷的含量，作好記錄。本實驗中利用standards,measurements,and testing（SMT）方法來分離不同形態的磷。SMT方法是在威廉姆斯方法上改進而來的，此方法通過非連續提取將沉積物中的磷分為五種形態：總磷（TP），無機磷（IP），有機磷（OP），非磷灰石無機磷（NAIP）以及磷灰石無機磷（AP）。非磷灰石無機磷是鐵、鋁、錳的氧化物或氫氧化物與磷的結合物。磷灰石無機磷通常是磷與鈣的結合物。通過鉬藍比色法來測定五種形態磷的含量。已有研究利用此方法測定了污泥及沉積物種不同形

11、態的磷含量15-17。接下來取一定量污泥樣品進行熱處理，每隔50為一個工況，使溫度分別控制在750、800、850、900、950、1000，提取殘留物，用SMT法測量試驗后污泥中磷的含量，分析不同溫度對生成物組分的影響。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%（用作參照實驗），5%，10%，15%，20%，測定生成物組分；同理添加MgO也按相同含量添加，測定生成物組分。利用HSC Chemistry模擬軟件進行數據模擬，分析不同因素對生成物組分的影響，對實驗進行驗證。4.2進度安排第一周（2016.2.29-2016.3.4）進行相關文獻

12、的查閱和整理；第二周（2016.3.7-2016.3.11）整理開題報告，初步設計實驗方案，進行開題答辯；第三周第四周（2016.3.14-2016.3.25）外出實習；第五周開始（2016.3.28），進行實驗的準備，配合老師和學長進行實驗，收集分析數據，利用HSC Chemistry模擬軟件模擬理論數據，進行相關實驗驗證工作；之后進行數據處理和實驗補充階段，撰寫論文。4.3預期達到的目標預計在五月中旬之前完成實驗和數據收集工作，把不同因素（主要是溫度、不同添加劑的量和不同磷的量）對生成物的影響的結果匯集整理，撰寫論文。5、 研究內容利用HSC Chemistry模擬軟件，通過輸入原始污泥的

13、數據，即化學成分：氧化物的形式、化學元素的形式。通過改變原始數據中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，計算生成物的組成。6、 研究目的通過熱力學計算，理論模擬驗證磷在高溫時與重金屬的反應情況。模擬不同溫度和不同添加劑下磷與重金屬的反映情況，驗證生成物的組成。7、主要參考文獻1中國國土資源部信息中心世界礦產資源年評M北京：地質出版社，20092劉樹臣中國礦產資源年報R北京：北京國土資源部，20083鄢正華我國磷礦資源開發利用綜述J礦冶，2011，20(3)：21254Lester J N，Sterrit R M，Kirk PW WSignificance and b

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