城市污水污泥的热解特性.pdf

1、ISSN 100020054CN 1122223 N 清 华 大 学 学 报 (自 然 科 学 版 )J T singhua U niv (Sci 焚 烧 ; 热 分 析中 图 分 类 号 : X 705文 章 编 号 : 100020054 (2001) 1020090203 文 献 标 识 码 : APyrolysis properties of m un ic ipa lsewage sludgeFENG Hua , ZHANG Ya nguo, Q IU Tia n, W U Zha nsong(D epartmen t of Thermal Engineer ing,Tsinghua

2、 Un iversity, Be ij ing 100084, China)Abstract: T hermogravim etric analyses (T GA ) and differencescanning calo rim eter (D SC) w ere used to study the com bustioncharacteristics of dried sludge from the Beijing Gaobeidian Sew ageT reatm ent P lant. T he result show ed there are three temperaturera

3、nges during the sludge com bustion, in w h ich the sludge quicklylo st w eight. T he first two are due to release of the vo latiles, w h ilethe fixed carbon is com busted in the third range. T he k ineticsparam eters fo r the chem ical reactions w ere calculated and the sludgecom bustion m echanism

4、is discussed. Som e suggestions are given fo rthe design of sludge fluidized bed incinerato rs.Key words: sew age sludge; com bustion; therm al analysis城 市 污 水 污 泥 是 一 种 成 分 复 杂 的 废 弃 物 。 据 不完 全 统 计 , 全 国 日 污 水 排 放 量 4 474 万 米 3, 而 污 水厂 在 净 化 污 水 的 同 时 , 将 产 生 约 占 污 水 总 处 理 量 的0. 3% 5% (含 水 率 以 97%

5、计 )的 污 泥 1 。 如 何 处 理总 量 如 此 巨 大 的 污 泥 已 成 为 一 项 重 要 的 环 保 课 题 。目 前 , 污 泥 的 处 置 方 法 主 要 有 排 海 、 填 埋 、 农 用 、焚 化 等 。 排 海 应 当 禁 止 , 填 埋 也 未 从 根 本 上 对 污 泥 进行 处 理 和 利 用 。 随 着 社 会 的 发 展 、 人 口 的 增 长 以 及 环境 法 规 的 日 益 严 格 , 这 类 处 理 方 法 已 越 来 越 不 可 行 。污 泥 中 含 有 大 量 有 机 物 , 可 用 作 肥 料 , 但 由 于 污 泥 中的 成 分 复 杂 , 有

6、害 物 质 较 多 , 导 致 污 泥 农 用 技 术 在 实际 应 用 中 存 在 较 多 的 困 难 2 。与 以 上 几 种 方 法 相 比 , 焚 烧 法 具 有 无 害 化 、 减 容化 、 资 源 化 的 优 点 。 由 于 经 过 高 温 焚 烧 , 污 泥 中 的 有害 病 原 体 都 彻 底 灭 除 , 减 少 了 环 境 污 染 源 。 而 且 , 通常 污 泥 的 含 水 率 和 可 燃 质 含 量 都 比 较 高 , 焚 烧 后 只有 少 量 灰 烬 , 大 大 减 少 了 污 泥 的 体 积 和 重 量 , 实 现 了减 容 减 量 。 此 外 , 焚 烧 的 产 物

7、 还 有 利 用 价 值 , 如 灰 渣可 用 于 制 砖 或 铺 路 等 , 焚 烧 产 生 的 热 量 可 用 于 发 电或 供 热 , 成 为 可 利 用 的 资 源 。 目 前 已 开 发 出 了 多 种 污泥 焚 烧 设 备 , 流 化 床 焚 烧 炉 由 于 具 有 燃 料 适 应 性 广 、燃 烧 效 率 高 及 易 于 实 现 对 有 害 气 体 SO 2 和 NO x 的控 制 等 特 点 , 使 得 流 化 床 焚 烧 法 处 理 污 泥 得 到 了 越来 越 广 泛 的 应 用 。燃 料 的 燃 烧 特 性 研 究 对 于 燃 烧 设 备 的 设 计 及 燃烧 工 况 的

8、 组 织 具 有 重 要 意 义 。 本 文 通 过 热 分 析 手 段 ,对 污 泥 的 失 重 过 程 及 燃 烧 特 性 进 行 了 研 究 。1 污 泥 燃 烧 特 性 的 实 验 研 究1. 1 污 泥 的 静 态 特 性实 验 所 用 试 样 取 自 北 京 市 高 碑 店 污 水 处 理 厂 。污 泥 的 工 业 分 析 结 果 表 明 , 水 份 的 质 量 分 数 (100w ) 为 81. 62。 干 燥 污 泥 中 灰 份 、 挥 发 份 和 固 定 碳 所占 的 100 w 分 别 为 33. 08, 58. 76 和 8. 16; 碳 、 氢 、氮 和 硫 的 100

9、 w 分 别 为 37. 79, 4. 65, 3. 91 和1. 69。 低 位 发 热 量 为 12 610. 5 kJ kg。由 此 可 见 , 污 泥 具 有 高 水 份 、 干 基 挥 发 份 较 高 而固 定 碳 含 量 较 低 的 特 点 。 因 此 , 与 煤 燃 烧 不 同 的 是 ,在 污 泥 的 燃 烧 过 程 中 , 其 高 水 份 和 高 挥 发 份 将 对 燃烧 起 主 要 作 用 , 而 固 定 碳 的 影 响 较 小 。1. 2 污 泥 的 热 分 析本 文 采 用 热 分 析 (T GA 和 D SC) 方 法 研 究 污 泥的 燃 烧 特 性 3 。图 1

10、是 升 温 速 率 为 20 m in 和 40 m in 的干 燥 污 泥 的 D SC2D T G 曲 线 。 实 验 中 通 入 100 mL m in 的 空 气 气 流 以 保 持 动 态 气 氛 。 两 图 左 侧 纵 坐 标表 示 D SC 测 量 过 程 中 试 样 失 重 1 m g 差 热 放 大 器 补偿 电 压 的 变 化 量 ($U ) , 右 侧 纵 坐 标 表 示 D T G 测 量时 每 分 钟 试 样 的 失 重 百 分 比 A。 比 较 两 图 可 发 现 ,40 m in 升 温 速 率 下 的 污 泥 最 大 失 重 速 率 明 显 比20 m in 升

11、 温 速 率 下 的 大 , 大 约 是 后 者 的 两 倍 左右 。 但 挥 发 份 整 体 析 出 规 律 基 本 相 同 。由 于 实 验 中 采 用 的 样 品 是 干 燥 污 泥 , 所 以 在 图1 中 的 D T G 曲 线 (由 A表 示 ) 上 已 看 不 到 水 份 析 出峰 。 但 由 D T G 曲 线 可 见 , 在 较 低 温 区 存 在 两 个 相 当明 显 的 挥 发 份 析 出 区 , 另 外 在 高 温 区 也 有 一 个 比 较明 显 的 固 定 碳 燃 尽 区 。 挥 发 份 析 出 区 集 中 在 较 低 温区 的 原 因 主 要 是 因 为 污 泥

12、中 有 机 物 含 量 比 较 高 , 各成 分 的 化 学 键 比 较 弱 , 强 弱 差 别 也 不 大 , 因 此 温 度 达到 一 定 水 平 , 就 开 始 大 量 析 出 。 存 在 两 个 显 著 的 挥 发图 1 干 燥 污 泥 的 D SC-D TG 曲 线分 析 出 区 , 表 明 挥 发 份 中 有 两 类 化 学 键 能 相 接 近 的成 分 。 通 过 色 谱 2质 谱 联 合 分 析 法 能 够 进 一 步 确 定 挥发 份 中 各 类 成 分 的 种 类 、 数 量 。 限 于 篇 幅 , 本 文 不 予讨 论 。此 外 , 由 于 污 泥 挥 发 份 含 量 高

13、 、 析 出 快 , 所 以 在T GA 实 验 中 污 泥 燃 烧 反 应 速 率 主 要 由 析 出 的 挥 发份 与 氧 气 的 混 合 情 况 来 决 定 , 即 污 泥 颗 粒 的 燃 烧 反应 主 要 受 扩 散 过 程 的 控 制 。 当 温 度 达 到 一 定 水 平 以后 , 大 量 的 挥 发 份 析 出 并 在 颗 粒 周 围 形 成 一 个 气 膜层 , 燃 烧 主 要 在 气 膜 层 外 表 面 与 氧 气 混 合 扩 散 处 进行 。 该 层 的 燃 烧 消 耗 了 氧 气 , 只 有 当 挥 发 份 燃 尽 到 一定 程 度 , 使 气 膜 破 裂 后 , 固 定

14、 碳 才 能 跟 氧 气 接 触 , 并在 温 度 升 到 足 够 高 时 开 始 燃 烧 。 因 此 , 在 D T G 曲 线的 高 温 区 才 出 现 较 明 显 的 固 定 碳 燃 尽 区 。从 图 1 中 D SC 曲 线 (由 $U 表 示 ) 可 见 , 失 重 速率 比 较 大 的 3 个 区 域 分 别 对 应 着 一 个 放 热 峰 。 由 于污 泥 中 固 定 碳 含 量 很 少 , 其 放 热 峰 很 小 , 污 泥 的 热 值主 要 由 挥 发 份 燃 烧 产 生 。 在 污 泥 的 流 化 床 焚 烧 炉 中 ,挥 发 份 在 气 固 两 相 流 动 的 携 带 作

15、 用 下 , 在 相 当 大 的空 间 里 和 较 长 的 行 程 上 与 氧 气 反 应 , 因 此 , 污 泥 的 燃烧 过 程 以 挥 发 份 的 空 间 燃 烧 为 主 。2 化 学 反 应 动 力 学 参 数 求 解求 解 非 等 温 化 学 反 应 动 力 学 参 数 的 方 法 很 多 ,微 分 法 通 常 是 利 用 D T G 曲 线 进 行 计 算 , 但 由 于 影响 D T G 的 因 素 较 多 , 导 致 求 得 的 动 力 学 参 数 准 确性 较 差 。 Coats 和 R edfern 3 提 出 的 积 分 法 则 直 接 利用 T GA 曲 线 , 计 算

16、 过 程 比 较 简 单 而 且 准 确 性 好 , 本文 即 采 用 该 方 法 求 解 反 应 动 力 学 参 数 。假 设 在 无 穷 小 的 时 间 间 隔 内 , 非 等 温 过 程 可 以看 作 为 等 温 过 程 , 则 反 应 速 率 可 表 示 为dA dt = kf (A) = A exp (- E R T ) f (A) , (1)式 中 : A为 失 重 百 分 比 , 即 某 一 温 度 下 试 样 减 少 的 质量 与 达 到 实 验 终 温 (本 文 为 1 173 K) 时 试 样 的 总 损失 质 量 之 比 ; k 为 反 应 速 率 常 数 , m in-

17、 1; A 为 频 率因 子 , m in- 1; E 为 活 化 能 , kJ mo l; T 为 温 度 , K;f (A) = (1- A) n, 表 示 未 分 解 的 反 应 物 与 反 应 速 率之 间 的 关 系 , n 为 反 应 级 数 。对 式 (1)积 分 , 并 通 过 直 线 得 到 污 泥 的 质 量 损 失过 程 中 150 360 区 间 n= 1, 360 485 区 间 n= 1。 对 于 660 735 温 度 区 间 , n 在 1 2 之 间 。根 据 多 数 实 验 者 的 结 果 , 假 设 污 泥 在 660 735 温度 区 间 n= 14 。

18、 图 2 为 以 上 3 个 温 度 区 间 的 化 学 反应 动 力 学 参 数 图 。 图 2 中 Y 的 计 算 过 程 见 文 3 。 由19奉 华 , 等 : 城 市 污 水 污 泥 的 热 解 特 性拟 合 直 线 的 斜 率 和 截 距 , 计 算 出 干 燥 污 泥 在 各 温 度区 间 的 活 化 能 和 频 率 因 子 , 结 果 见 表 1。图 2 化 学 反 应 动 力 学 参 数 图表 1 污 泥 的 活 化 能 和 频 率 因 子H B= 20 m inEkJmo l- 1Am in- 1B= 40 m inEkJmo l- 1Am in- 1150 360 36.

19、 79 222. 90 31. 63 137. 40360 485 22. 84 13. 10 23. 43 27. 50660 735 65. 63 2 129. 07 53. 74 739. 943 反 应 机 理 的 分 析由 于 反 应 的 机 理 方 程 F (A) =A0dAf (A) , 所 以 当n 确 定 后 , 就 可 以 得 到 各 反 应 阶 段 反 应 机 理 方 程 :低 温 段 (约 150 360 ) ,F 1 (A) = - ln (1- A) ;中 温 段 (约 360 485 ) ,F 2 (A) = - ln (1- A) ;高 温 段 (约 660 7

20、35 ) ,F 3 (A) = - ln (1- A)。从 机 理 方 程 可 见 , 在 本 文 实 验 条 件 下 , 干 燥 污 泥的 热 解 反 应 表 现 为 受 核 生 长 和 干 扰 控 制 的 反 应 , 反应 速 率 由 随 机 核 化 过 程 控 制 , 每 一 个 反 应 粒 子 有 一个 反 应 核 3 。 对 于 污 泥 这 种 成 分 复 杂 的 混 合 物 , 在挥 发 份 析 出 过 程 中 出 现 这 种 反 应 机 制 是 合 理 的 。 在660 735 温 度 区 间 , 挥 发 份 析 出 量 已 越 来 越 少 ,反 应 以 固 定 碳 的 燃 烧

21、为 主 。 固 定 碳 通 常 具 有 多 孔 结构 , 其 在 氧 化 剂 中 的 反 应 属 于 气 固 两 相 的 非 均 相 燃烧 。 燃 烧 可 能 发 生 在 碳 粒 外 表 面 处 , 也 可 能 发 生 在 碳粒 内 部 的 气 孔 表 面 4 。 因 此 , 其 反 应 机 制 较 为 复 杂 ,尚 需 进 一 步 探 讨 。 另 外 , 在 485 660 区 间 还 有 一个 由 热 解 向 固 定 碳 燃 烧 过 渡 的 中 间 过 程 , 该 过 程 中发 生 的 反 应 非 常 复 杂 , 无 法 用 单 一 的 反 应 机 制 描 述 。考 虑 到 污 泥 热 分

22、 析 体 现 的 特 殊 性 质 , 在 污 泥 流化 床 焚 烧 炉 的 设 计 中 , 在 流 态 化 组 织 、 受 热 面 布 置 、配 风 组 织 以 及 炉 膛 整 体 结 构 等 方 面 都 应 采 取 相 应 的措 施 , 以 保 证 充 分 、 清 洁 的 焚 烧 污 泥 。4 结 论污 泥 作 为 一 种 燃 料 , 具 有 高 水 份 、 高 挥 发 份 、 低固 定 碳 含 量 的 特 点 ; 污 泥 的 失 重 过 程 中 有 3 个 失 重速 率 较 高 的 温 度 区 域 , 前 2 个 是 挥 发 份 的 析 出 区 , 第3 个 为 固 定 碳 的 燃 尽 区

23、 。污 泥 热 解 过 程 的 反 应 机 制 以 受 核 生 长 和 干 扰 控制 的 反 应 为 主 。 在 485 660 区 间 有 一 个 过 渡 过程 , 无 法 用 单 一 的 反 应 机 制 描 述 。污 泥 的 燃 烧 过 程 以 挥 发 份 的 空 间 燃 烧 为 主 , 在设 计 焚 烧 污 泥 的 锅 炉 时 应 合 理 进 行 燃 烧 组 织 , 以 提高 燃 烧 效 率 , 降 低 污 染 排 放 水 平 。参 考 文 献 (References) 1 蒋 成 爱 , 黄 国 峰 , 吴 启 堂 . 城 市 污 水 污 泥 处 理 利 用 研 究 进 展J . 农

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