石?岳，張守玉，宋曉冰，徐嘉慶，黃東東，林春雨，吳玉新，呂俊復(fù)，胡?南

添加污泥與磷酸對生物質(zhì)成型炭性能影響研究

石?岳1, 2，張守玉1，宋曉冰1，徐嘉慶1，黃東東1，林春雨1，吳玉新3，呂俊復(fù)3，胡?南4

(1. 上海理工大學能源與動力工程學院，上海 200093；2. 上海市動力工程多相流動與傳熱重點實驗室，上海 200093；3. 清華大學熱能工程系，北京 100084；4. 長春工程學院，長春 130012)

生物質(zhì)成型炭是生物質(zhì)利用的重要方式之一，制備時需要添加黏結(jié)劑增強其品質(zhì)．污泥可作為黏結(jié)劑用于制備生物質(zhì)成型燃料．H3PO4作為添加劑可提高成型炭的品質(zhì)且具有鈍化污泥中重金屬的作用．本研究以杉木屑為原料，探討添加H3PO4和污泥制備高機械強度成型炭的可能性，分析了添加污泥和H3PO4對成型炭機械性能和產(chǎn)率的影響，并考察了成型炭中重金屬的固定效果．結(jié)果表明：污泥的添加可提高成型炭的機械性能(抗壓強度和表觀密度)，且木屑與污泥的質(zhì)量比為2∶1時成型炭機械性能最佳且產(chǎn)率最高，其抗壓強度為18.1MPa，表觀密度為1278.8kg/m3，均優(yōu)于生物質(zhì)成型炭機械性能標準，干基低位熱值為12.05MJ/kg；添加磷酸可明顯提高成型炭機械性能和產(chǎn)率，且重金屬分析表明磷酸的加入可降低成型炭中的重金屬風險等級．

生物質(zhì)；成型炭；污泥；機械性能；磷酸；重金屬污染

生物質(zhì)具有種類多、產(chǎn)量大、污染小等優(yōu)點，可有效解決能源和環(huán)境問題，具有廣闊的應(yīng)用前景[1-3].但由于生物質(zhì)結(jié)構(gòu)疏松、質(zhì)地松散，極大地增加了其運輸、儲存難度．且生物質(zhì)能量密度低、直燃熱效率低導(dǎo)致其規(guī)?；⒏咝Ю美щy，限制了生物質(zhì)的利用[4]．生物質(zhì)成型炭化技術(shù)可有效解決上述問題，從而實現(xiàn)生物質(zhì)能的高效利用[5]．傳統(tǒng)的生物質(zhì)成型炭制備工藝主要有兩種，即生物質(zhì)炭化成型工藝和生物質(zhì)成型炭化工藝．先炭化后成型制備的成型炭機械性能較差，且必須通過添加黏結(jié)劑助其成型[6]．先成型后炭化利用成型燃料炭化過程中產(chǎn)生的焦油使成型炭更緊密，一定程度上緩解了需要外來添加劑的問題[7]．但成型生物質(zhì)經(jīng)炭化后其內(nèi)部結(jié)構(gòu)會變得疏松，導(dǎo)致其機械性能較低[8]．近年來，有學者利用預(yù)處理工藝(低溫熱解處理和水熱處理)來提高成型炭機械性能[9-11]．Phanphanich等[12]對多種生物質(zhì)進行低溫熱解預(yù)處理后制備生物質(zhì)成型燃料，結(jié)果表明生物質(zhì)能量密度提升一倍以上．Wu等[13]以棉稈和木屑為原料在200～260℃下進行水熱預(yù)處理，發(fā)現(xiàn)水熱成型炭的抗壓強度明顯高于普通成型炭．雖然預(yù)處理工藝有利于提高成型炭品質(zhì)，但制備工藝復(fù)雜，耗能增加.因此，研究與開發(fā)簡單且低能耗的方式來提高生物質(zhì)成型炭的機械性能及產(chǎn)率有利于生物質(zhì)綜合利用.

污泥是城市污水處理過程的副產(chǎn)物，含有蛋白質(zhì)、淀粉、多糖等黏性物質(zhì)，將其作為黏結(jié)劑制備生物質(zhì)成型燃料受到廣泛的關(guān)注．Jiang等人[14]研究了硬木樟腦、軟木杉木和草本稻桿和污泥的混合成型，發(fā)現(xiàn)顆粒密度會隨污泥比的增大而增大；其中污泥杉木成型顆粒在20%～80%污泥比范圍內(nèi)，抗壓強度逐漸提高．大量研究表明，生物質(zhì)H3PO4浸漬可提高成型炭產(chǎn)率及機械性能[15-17]．H3PO4浸漬處理木屑使纖維素大分子結(jié)構(gòu)中的配糖鍵酸解，生成低聚糖或單糖，從而使木屑具有一定黏性，進而提高生物質(zhì)成型炭品質(zhì)[18]．此外，H3PO4對于固定污泥中重金屬具有積極的作用．在高溫下，H3PO4可與污泥中的重金屬生成穩(wěn)定的磷灰石類礦物質(zhì)，改變重金屬的存在形態(tài)，使得重金屬更好地固定于污泥中，減少對環(huán)境的污染[19]．Cao等[20]在美國工業(yè)區(qū)Pb、Zn、Cu污染土壤中投入H3PO4和磷礦石，結(jié)果發(fā)現(xiàn)H3PO4與磷礦石在比例為1∶1時處理效果最好，促進土壤中53%(質(zhì)量分數(shù))Pb從非殘渣態(tài)向殘渣態(tài)轉(zhuǎn)化．但是，有關(guān)污泥與磷酸添加在生物質(zhì)先成型再炭化制備成型炭中的應(yīng)用報道較少．

本研究以生物質(zhì)廢棄物杉木屑為原料，通過先成型再炭化制備生物質(zhì)成型炭，研究添加污泥對成型炭機械性能及產(chǎn)率的影響．然后，在木屑成型炭和木屑-污泥成型炭基礎(chǔ)上，考察了H3PO4對生物質(zhì)成型炭機械性能及產(chǎn)率的影響，并對最優(yōu)污泥配比條件下的成型炭進行了重金屬生態(tài)毒性分析，制備的高強度生物質(zhì)炭可有效解決鍋爐燃料生物質(zhì)炭在運輸過程中易碎、不易儲存的問題，為污泥和生物質(zhì)的資源化利用提供了一定理論基礎(chǔ)．

1?實驗與分析

1.1?實驗原料

實驗所用污泥取自浙江杭州某污水處理廠的干化污泥(dry sludge，DS)．實驗所需杉木屑(wood sawdust，WS)來自上海當?shù)啬静募庸S．將木屑與干化污泥粉末按一定的質(zhì)量比(1∶0、1∶1、2∶1、3∶1、4∶1)混合，然后加入質(zhì)量分數(shù)為30%的磷酸按浸漬比(質(zhì)量比)為1在常溫下浸漬1h，在105℃下干燥24h，將所得預(yù)處理樣品放入樣品袋內(nèi)保存．城市污泥和木屑的工業(yè)分析、元素分析以及灰分成分分析分別見表1和表2，污泥中重金屬含量分析見表3．

表1?污泥與木屑的工業(yè)分析和元素分析

Tab.1?Industrial analysis and elemental analysis of sludge and wood sawdust

表2?污泥的灰成分分析

Tab.2?Ash composition analysis of sludge

表3?污泥重金屬含量分析

Tab.3?Analysis of heavy metal content in sludge 單位：mg/kg

1.2?熱壓成型與炭化試驗

使用天津市金孚倫科技有限公司生產(chǎn)的YP-30T成型機對實驗樣品分別進行熱壓成型實驗．加熱模具直徑為16mm、高度300mm、壓力穩(wěn)定性≤ 0.5MPa/5min，標定功率1kW，配備了XMT-R型控溫儀，溫控精度1%，成型壓力為100MPa，成型溫度90℃．

使用上海貴爾機械設(shè)備有限公司生產(chǎn)的GR.AF12/16型固定床反應(yīng)器分別對成型樣品進行高溫炭化實驗，升溫速率為10℃/min，炭化溫度為600℃．將按質(zhì)量比1∶0、1∶1、2∶1、3∶1、4∶1制備的木屑-污泥-磷酸成型炭分別命名為WS-SS-CB、WS-SS1-CB、WS-SS2-CB、WS-SS3-CB、WS-SS4-CB，將未經(jīng)磷酸浸漬的純木屑及木屑-污泥混合物制備的成型炭命名為n-ws-CB和n-ws-ss2-CB．

1.3?成型炭機械性能及產(chǎn)率分析

使用電子天平、游標卡尺對成型燃料進行測量，根據(jù)質(zhì)量與體積比計算其表觀密度，成型炭產(chǎn)率由炭化前后質(zhì)量計算得出．

使用德國Zwick/Roell公司生產(chǎn)的茲韋克電子萬能材料試驗機Z250對成型生物質(zhì)進行抗壓強度測試，以徑向抗壓強度為研究對象，按式(1)計算：

式中：為樣品徑向所能承受最大力，N；為樣品直徑，m；為樣品長度，m．

1.4?熱重分析實驗

使用美國TA有限公司生產(chǎn)的Q500熱重分析儀對其炭化過程進行熱重分析．每次實驗取(10±0.5)mg樣品，在99.99%N2氣氛下加熱，升溫速率?10℃/min，首先升溫到150℃，保持30min，然后繼續(xù)升溫到600℃，停止加熱．

1.5?發(fā)熱量分析實驗

使用長沙開元儀器有限公司生產(chǎn)的5E-AC/PL快速氧彈量熱儀進行生物質(zhì)樣品的發(fā)熱量分析實驗．每次實驗取樣品1g，10mL蒸餾水，氧彈壓力2.8MPa，測試時間16min，測量完成后取出氧彈，用放氣閥放掉氧彈內(nèi)的燃燒廢氣．

1.6?重金屬分析

(1) BCR法

污泥焚燒后灰渣中重金屬形態(tài)分析采用歐洲共同體標準物質(zhì)局(Community Bureau of Reference)提出的三步連續(xù)分級提取法，簡稱BCR法[21-23]．通過BCR萃取，重金屬的形態(tài)可分為4類：酸可交換態(tài)(F1)、易還原態(tài)(F2)、可氧化態(tài)(F3)和殘渣態(tài)(F4)．由于土壤的重金屬污染中Pb和Cd的點位超標率遠高于其他化學元素，因此選取Pb和Cd作為典例進行分析．采用原子吸收分光光度計(PEAA900T)測定樣品中酸溶性、還原性、氧化性和殘留組分中重金屬(Pb、Cd)的含量．

(2) RAC風險評價

風險評價準則(Risk Assessment Criteria)簡稱RAC[23]，是通過計算BCR法提取的重金屬中F1的含量來評價污泥中重金屬的危險性與各重金屬相關(guān)的生態(tài)風險等級[24]．污泥和其生物炭中所含重金屬的生態(tài)風險可按RAC被劃分為無風險、低等風險、中等風險、高等風險和非常高的風險等5個等級. RAC用式(2)計算：

2?結(jié)果與討論

2.1?添加污泥對成型炭的影響

2.1.1?污泥添加量對成型炭機械性能的影響

圖1為在成型壓力100MPa、成型溫度90℃、炭化溫度600℃下，不同木屑污泥比制備成型炭燃料的表觀密度和抗壓強度．由圖1可知，成型炭抗壓強度隨污泥比例增加先增大后減小，當WS與SS質(zhì)量比為2∶1時達到最大值18.1MPa．在本研究范圍內(nèi)，污泥添加后制備的成型炭機械性能均優(yōu)于純木屑制備的成型炭．污泥微粒在擠壓加熱作用下會進入生物質(zhì)微粒之間的空隙中，其中的蛋白質(zhì)、多糖等黏性物質(zhì)被擠壓出并發(fā)生變性，與生物質(zhì)中的木質(zhì)素共同產(chǎn)生黏結(jié)作用而增強顆粒的塑性[25]．但當黏結(jié)劑添加過多時，成型樣品在炭化過程會形成較多孔隙，導(dǎo)致成型炭強度降低．隨著污泥比例的增加，成型炭的表觀密度由1160.7kg/m3增加至1314.2kg/m3，主要是因為成型時木屑中具有一定黏度特性的纖維素、半纖維素起到“鋼筋”骨架的作用，而污泥粒子會填充至骨架空隙中，從而使木屑污泥協(xié)同成型起到“鋼筋水泥”作用[26]．當污泥比例增加，越來越多的污泥顆粒被擠入生物質(zhì)顆粒的空隙中，使得成型炭表觀密度增加[14]．由圖1可以看出在研究范圍內(nèi)成型炭的抗壓強度、表觀密度均優(yōu)于生物質(zhì)成型炭機械性能標準(抗壓強度1.2MPa、表觀密度800kg/m3)[27, 13]．

圖1?木屑與污泥質(zhì)量比對成型炭機械性能的影響

2.1.2?污泥添加量對成型炭產(chǎn)率及成型生物質(zhì)炭化過程的影響

由圖2可知，成型炭產(chǎn)率隨著污泥比例增加而增加，其變化范圍為58.5%～62.3%．由表1可知，污泥灰分較高，相較于木屑其炭化產(chǎn)率較高，故隨著污泥添加比例的增加成型炭產(chǎn)率增加．

圖3為污泥、木屑及木屑污泥混合物炭化過程失重(TG)及微分失重(DTG)分析曲線．由圖3可以看出，WS-SS1-CB～WS-SS4-CB的TG/DTG炭化規(guī)律基本一致．以WS-SS2-CB為例，污泥、木屑與磷酸共炭化存在3個階段．第一階段從室溫到180℃，該階段總失重量為5.3%，由混合物中的水分、污泥中易揮發(fā)有機物、碳氧化合物、氮和硫氫化物的析出以及磷酸鹽的結(jié)晶水逸出導(dǎo)致．第二階段為180～520℃，最大失重速率對應(yīng)的炭化溫度為248℃，總失重量為35.1%，主要是因為污泥中的有機組分蛋白質(zhì)、脂肪族化合物和糖類、生物質(zhì)的組分(木質(zhì)素、纖維素等)以及磷酸鹽高溫下發(fā)生分解．由圖3可以看出，隨污泥比例增加，各熱解峰值降低且右移，主要是由污泥比例的增多導(dǎo)致其中的脂肪族化合物、蛋白質(zhì)糖類化合物含量增多導(dǎo)致，與SS曲線在280℃脂肪族化合物分解、324℃蛋白質(zhì)分解、390℃糖類化合物分解基本保持一致[28]．第三階段高于520℃，該階段主要由于低溫下沒有充分分解的少量有機物和無機鹽繼續(xù)分解及磷酸鹽分子間繼續(xù)脫水縮聚所致．由圖3中TG曲線可以看出，成型炭產(chǎn)率隨著污泥比例增加的變化趨勢與圖2基本一致．

圖2?木屑與污泥質(zhì)量比對成型炭產(chǎn)率的影響

圖3 WS-SS1-CB～WS-SS4-CB炭化過程 TG及 DTG分析曲線

2.2?添加磷酸對成型炭的影響

2.2.1?磷酸添加對成型炭機械性能的影響

為了研究磷酸添加對成型炭機械性能的影響，以未添加磷酸的生物質(zhì)成型炭(n-ws-CB)及生物質(zhì)-污泥成型炭(n-ws-ss2-CB)為對照組進行對比分析，結(jié)果見圖4．由圖4可知，n-ws-CB的表觀密度和抗壓強度均遠小于添加磷酸的WS-CB．在600℃的炭化溫度下，木屑中的木質(zhì)素、纖維素以及半纖維素等黏結(jié)性物質(zhì)大部分被燒失，這些組分的劇烈析出和復(fù)雜的遷移過程破壞了成型生物質(zhì)原本致密的結(jié)構(gòu)，使得其機械性能變差．加入磷酸后，熱壓成型過程中木屑中的木質(zhì)素、纖維素、半纖維素等大分子物質(zhì)在磷酸的作用下發(fā)生水解降解，形成黏結(jié)劑、塑化劑和抗氧化劑共同作用的體系，其中起黏結(jié)作用的主要成分為糠醛均聚或縮聚形成的呋喃類樹脂，起塑化作用的主要成分為4-甲基苯酚，再加上磷酸的交聯(lián)作用，在炭化過程最終形成磷酸炭骨架或多聚磷酸鹽橋，使得木屑-磷酸成型炭(WS-CB)機械性能增加[29-30]．

圖4?磷酸添加對成型炭機械性能的影響

由圖4可以看出，n-ws-ss2-CB的表觀密度和抗壓強度均優(yōu)于n-ws-CB，但次于WS-SS2-CB的機械性能．污泥單獨添加也會提高成型炭的機械性能，而磷酸的加入可顯著提升其機械性能．添加污泥可以提高成型炭的機械性能，但是污泥中的黏結(jié)性物質(zhì)(蛋白質(zhì)類、脂類、多糖類等)在炭化過程中燒失加劇，灰分增大，易導(dǎo)致成型生物質(zhì)抗壓強度變?nèi)酰姿崽砑雍蟪藭c木屑中的纖維素、半纖維素等組分反應(yīng)，增強WS-SS2-CB的機械性能，還會與污泥中金屬氧化物反應(yīng)生成磷酸鹽，而磷酸鹽在高溫下可以通過固化反應(yīng)形成以共價鍵和離子鍵為骨架的環(huán)狀無機高分子結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)包裹炭顆粒，內(nèi)聚力提高，黏結(jié)性能增強，從而使得成型炭的機械性能增?加[31]. 磷酸還會與污泥中的碳酸鹽發(fā)生反應(yīng)，生成磷酸氫鹽，其在高溫下會進一步分解，經(jīng)脫水、縮聚等復(fù)雜反應(yīng)后，形成-P-O-M-O-P-高分子結(jié)構(gòu)，變成耐熱抗水的黏性化合物以致成型炭機械性能提升[32]．

2.2.2?磷酸添加對成型炭產(chǎn)率及成型生物質(zhì)炭化過程的影響

圖5為磷酸添加后成型炭的產(chǎn)率．以n-ws-CB和n-ws-ss2-CB為對照可知，n-ws-CB和n-ws-ss2-CB在600℃炭化后的產(chǎn)率僅為29.5%和37.4%，而添加磷酸后WS-CB和WS-SS2-CB的產(chǎn)率可達58.5%和62.1%，表明磷酸添加有利于提高成型炭產(chǎn)率．陳繼京[33]指出磷酸在與木屑浸漬后再進行炭化，改變了木屑的熱分解過程，磷酸的加入不僅可以脫去材料中的水分，并且可以催化消除原材科中的羥基，同時抑制了原料在炭化過程中焦油的生成及其他揮發(fā)性物質(zhì)的逸出，從而將原材料中更多的碳保留在固體產(chǎn)物中．

圖5?磷酸添加對成型炭產(chǎn)率的影響

為進一步研究磷酸添加對成型的影響，分別對木屑、木屑-磷酸、木屑-污泥以及木屑-污泥-磷酸混合物的熱解過程進行熱重分析，其TG曲線及DTG曲線見圖6．由圖6可知，木屑-污泥及木屑-污泥-磷酸的炭化規(guī)律與木屑及木屑-磷酸的炭化過程差異基本一致．由圖6(a)和6(b)可知木屑在250℃之前只有微弱失重，250～350℃之間木屑迅速失重，降至35%左右，而木屑-磷酸混合物在加熱過程中，失重速率比較平穩(wěn)，500℃之后，尚有53%左右殘余，表明添加磷酸可以提高生物質(zhì)炭產(chǎn)率的作用.

由圖6(b)可知，純木屑在250～350℃之間失重速率明顯高于250℃之前，相比之下，木屑-磷酸混合物在整個炭化過程中失重速率波動不大．由圖6(b)可知，木屑-磷酸混合物在200℃附近失重峰較大，可能是由于磷酸具有脫水作用和脫羥基作用，經(jīng)磷酸浸漬后原料中的氫和氧在炭化過程中以水分子的形式脫除，而不是形成各種酸類、醚類、酚類等含碳有機揮發(fā)物而析出，保證了碳留在固相產(chǎn)物中[30]，所以木屑-磷酸混合物失重較少．磷酸的加入可以更多地保留原料中的碳，使得炭的得率較高，同時還能抑制焦油的產(chǎn)生．磷酸的添加會改變生物質(zhì)的炭化歷程，在200～300℃溫度區(qū)間內(nèi)形成穩(wěn)定的縮聚炭結(jié)構(gòu)，在300～600℃溫度區(qū)間，在氧的參與下磷酸有選擇性地緩慢氧化侵蝕炭體，整個炭化過程都處于無放熱效應(yīng)的狀態(tài)中[17]．

2.3?成型炭的重金屬安全性評價

圖7為木屑與污泥混合物n-ws-ss2與WS-SS2-CB的Cd和Pb的形態(tài)(F1、F2、F3和F4)分布圖．由圖7可以看出，n-ws-ss2中Cd的形態(tài)F1、F2、F3、F4所占比例分別為31.2%、37.9%、29.4%、1.5%，而n-ws-ss2中的Pb大多以F3的形態(tài)存在，約占79.7%，其余F1、F2、F4所占比例分別為3.9%、7.3%、9.0%．經(jīng)600℃炭化后，WS-SS2-CB中的Cd和Pb的形態(tài)F1、F2均減小，而F3、F4增加，表明炭化有利于WS-SS2-CB中重金屬的鈍化，其原因是炭化可有效地將重金屬固定在熱解炭中[34]，且由于WS-SS2-CB是污泥與木屑的混合物，污泥與木屑在炭化過程中會產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)．炭化過程中WS-SS2-CB 中的大量表面官能團分解并縮聚成高度濃縮的芳香化結(jié)構(gòu)融入生物炭中，絡(luò)合了生物炭表面和內(nèi)部結(jié)構(gòu)中更多的重金屬，這使得污泥中重金屬更多地轉(zhuǎn)換為相對穩(wěn)定的形態(tài)(F3)和穩(wěn)定形態(tài)(F4)．此外，磷酸對于固定污泥中重金屬具有積極地作用，張濤[34]發(fā)現(xiàn)含Cd和Pb的花生殼和水稻秸稈在經(jīng)磷酸預(yù)處理后的熱解產(chǎn)物中的Cd和Pb的賦存形態(tài)向更加穩(wěn)定的有機結(jié)合態(tài)和殘渣態(tài)轉(zhuǎn)變，使得重金屬更好地固定于炭中，減少對環(huán)境的污染．

圖7?成型炭樣品的重金屬形態(tài)分布及比例

通過RAC，對n-ws-ss2和WS-SS2-CB中Cd和Pb的生態(tài)風險進行了評估，結(jié)果見表4．由表4可知，Cd的RAC值由31.22%(n-ws-ss2)減小為24.89%(WS-SS2-CB)，生態(tài)風險由高等風險變?yōu)橹械蕊L險．雖然n-ws-ss2與WS-SS2-CB中的Pb的生態(tài)風險均為低等風險，但RAC值由3.95%(n-ws-ss2)減小為1.31%(WS-SS2-CB)，生態(tài)風險變得更低，對于生態(tài)環(huán)境的影響更?。愿黜椥阅茏顑?yōu)的WS-SS2-CB為樣進行熱值測試，得其干基低位熱值為12.05MJ/kg．可見，本實驗制得的成型炭可作為代替燃料使用，對于污泥與廢棄生物質(zhì)的資源化利用和無害化具有一定指導(dǎo)意義．

表4?成型炭樣品的生態(tài)風險評估

Tab.4 Ecological risk assessment of resulting charcoal pellet

3?結(jié)?論

(1) 污泥的添加有利于生物質(zhì)先成型再炭化制備成型炭，成型炭的機械性能隨污泥添加比例的增加先增大后減?。斈拘寂c污泥的質(zhì)量比為2∶1時，成型炭機械性能最好．其抗壓強度為18.1MPa，表觀密度為1278.8kg/m3，干基低位熱值為12.05MJ/kg，所得成型炭的物理性質(zhì)優(yōu)于生物質(zhì)成型炭機械性能標準．成型炭產(chǎn)率隨污泥比例的增加而增加，在本研究范圍內(nèi)其變化范圍為58.5%～62.3%．

(2) H3PO4的添加顯著提升了成型炭的機械性能，而且其炭產(chǎn)率大幅增加．添加磷酸的條件下，木屑與污泥質(zhì)量比為2∶1時，制備的成型炭燃料的機械性能最佳．

(3) 木屑、污泥以及H3PO4之間的協(xié)同作用有利于污泥中重金屬的固定．炭化有利于成型炭樣品中重金屬的鈍化．RAC評價表明，WS-SS2-CB中的重金屬Cd的生態(tài)風險由高等風險變?yōu)橹械蕊L險，Pb的生態(tài)風險由低等風險變?yōu)楦惋L險．

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Effect of Addition of Sludge and Phosphoric Acid on Properties of Biomass Charcoal Pellet

Shi Yue1, 2，Zhang Shouyu1，Song Xiaobing1，Xu Jiaqing1，Huang Dongdong1，Lin Chunyu1，Wu Yuxin3，Lü Junfu3，Hu Nan4

(1. School of Energy and Power Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China；2. Shanghai Key Laboratory of Multiphase Flow and Heat Transfer in Power Engineering，Shanghai 200093，China；3. Department of Thermal Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China；4. Changchun Institute of Technology，Changchun 130012，China)

Charcoal pellet is one of the main utilization ways of biomass resource，and binder is often used to enhance its quality during its preparation. Sludge can be used as binder in the preparation process of biomass char-coal pellet. As an additive，H3PO4can improve the quality of the resulting charcoal pellet，and it can also pas-sivate heavy metals in sludge. In this paper，the preparation of high-mechanical-strength charcoal pellet from Chi-nese fir sawdust with H3PO4and sludge as additives was studied. The effect of the addition of sludge and H3PO4on the mechanical properties and yield of the resulting charcoal pellet was investigated. Furthermore，the fixing effect of heavy metals in the resulting charcoal pellet was also explored. Results show that the addition of sludge can im-prove the mechanical properties of the charcoal pellet，such as its compressive strength and apparent density. When the mass ratio of wood sawdust to sludge was 2∶1，the yield of the prepared charcoal pellet was the highest，and its mechanical performance was the best，i.e.，its compressive strength was 18.1MPa and its appar-ent density was 1278.8kg/m3，which were both superior to those listed in the mechanical performance standard of biomass charcoal pellet. In addition，thenet,adof the resulting pellet was 12.05MJ/kg. The addition of H3PO4can significantly improve the mechanical properties and yield of the resulting charcoal pellet，and the analysis of heavy metals indicates that the addition can also reduce the risk level of heavy metals contained in the charcoal pellet.

biomass；charcoal pellet；sludge；mechanical properties；H3PO4；heavy metal pollution

TK6

A

1006-8740(2022)01-0093-09

2020-12-10．

國家自然科學基金重點國際(地區(qū))合作研究項目(51761125011)；上海理工大學科技發(fā)展項目(2019KJFZ213)；國家重點研發(fā)計劃資助項目(2017YFB0602102).

石?岳（1997—??），男，碩士研究生，shiyueaaaa@163.com．Email：m_bigm@tju.edu.cn

張守玉，男，博士，教授，zhangsy-guo@163.com．

(責任編輯：武立有)