N大學(xué)報(bào)(數(shù)然學(xué)5219計(jì).10城市污水污泥的熱解特性奉華,張衍國,邱天,吳占松(消華大學(xué)熱能「程系,北宗10084)擁要:為了解被內(nèi)污水污泥蚋燃燒特性,利河差式掃描量境法規(guī)的日益嚴(yán)格,這類處理方法已越來越不可行再器(TGA)和熱解重量分析法(DSC)等熱分析方法對北京污泥中含有大量有機(jī)物,可用作肥料,但由于污泥中建店污水處理廠的千燥污泥進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:的成分復(fù)雜,有害物質(zhì)較多,導(dǎo)致污泥農(nóng)用技術(shù)在實(shí)吳污泥的失重過程中有3個失重速奉比較的區(qū)我,前2際應(yīng)用中存在較多的樹難。人以揮發(fā)份約析當(dāng)為主,第3^為困定碳的的燃盡區(qū)。釆用紂求梃了3^區(qū)域的化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)參數(shù),對其反應(yīng)杋與以上幾種方法相比,焚燒法具有無害化、減容理過六了分析,論只蚋結(jié)果對污泥化床焚燒爐的設(shè)計(jì)有參化、資源化的優(yōu)點(diǎn),由于經(jīng)過高溫焚燒污泥中的有害病原體都徹底滅除,減少了環(huán)境污染源、而且,通關(guān)鍵詞:污水污泥;焚燒;熱分所常污泥的含水率和可燃質(zhì)含量都比較高,焚燒后只中圖分類號:X705有少量灰燼,大大減少了污泥的體積和重量,實(shí)現(xiàn)文章編號:10051(2010100903文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A減容減量。此外,焚燒的產(chǎn)物還有利用價值,如灰渣可用于制磚或鋪路等,焚燒產(chǎn)生的熱量可用于發(fā)電或供熱,成為可利用的資源。月前匚開發(fā)出了多種污Pyrolysis properties of municipal泥焚燒設(shè)備,流化床焚嬈爐由于具有燃料適應(yīng)性廣sewage sluage燃燒效率高及易于實(shí)現(xiàn)對有害氣體S()2和NO4的FENG Hua, ZHANG Yanguo, QIU Tian. wU Zhansor控制等特點(diǎn),使得流化床焚燒法處理污泥得到了越c Department of Thermal Engineering來越廣泛的應(yīng)用。hua University, Beijing 100084, China)燃料的燃燒特性硏究對于燃燒設(shè)備的設(shè)計(jì)及燃Abstract: Thermogravimetric analyses (TGA) and differencescanning calorimeter (DSC) were used to studly the cumb燒工況的組織具有重要意義。本文通過熱分析手段hararteristirs uf dried sludge from the Beijing Gaobeidian Sewage對污泥的失重過程及燃燒特性進(jìn)行∫研究Treatrment Plant. The result showed there are threc temperatureranges during the sludge combuswhich the sludge quickl1污泥燃燒特性的實(shí)驗(yàn)硏究les! Atight. The first t wo ate due to release of the volatiles, whilehe iixed carbor. is combusted in the third range. The ktn+is1.I污泥的靜態(tài)特性parameters for the chemical reitrticns were ralrulared and the sludge實(shí)驗(yàn)所用試樣取自北京布高碑店污水處理廠combustionns is discussed. Some suggestionsthe design of sludge fluidized bed incinerators.污泥的工業(yè)分析結(jié)果表明,水份的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(100×Key words: a(wage sludge: combustion: thermal analysu)為81.62。干燥污泥中灰份、揮發(fā)份和固定碳所占的100×v分別為33.08,58.76和8.16;碳、氫、城市污水污泥是一種成分復(fù)雜的廢棄物。據(jù)不氮和硫的100×v分別為37.79.4.65,3.91和完全統(tǒng)計(jì),全國日污水排放量4474萬米3,而污水69。低位發(fā)熱量為12610.5kJ/kg廠在凈化污水的同時,將產(chǎn)生約占污水總處理量的由此可見,污泥具有高水份,干基揮發(fā)份較高而0.3~3%(含水率以97%計(jì))的污泥。如何處理固定碳含量較低的特點(diǎn)。因此,與煤燃燒不同的是,總量如此巨大的污泥已成為一項(xiàng)重要的環(huán)保課題在污泥的燃嬈過程屮,其高水份和高揮發(fā)份將對燃日前污泥的處置方法主要有排海、填埋、農(nóng)用燒起主要作用,而固定碳的影響較小焚化等排海應(yīng)當(dāng)禁止,填埋也未從根本上對污泥進(jìn)收稿日期行處理和利用隨著社會的發(fā)展、人口的增長以及環(huán)作者簡介H中國煤化工CNMHG奉華,等:城市污水污泥的熱解特性1.2污泥的熱分析分析出區(qū),表明揮發(fā)份中有兩類化學(xué)鍵能相接近的本文采用熱分析(TGA和DSC)方法研究污泥成分通過色譜質(zhì)譜聯(lián)合分析法能夠進(jìn)一步確定揮的燃燒特性發(fā)份中各類成分的種類、數(shù)量。限于篇幅,本文不予圖1是升溫速率為20Cmin和40C/min的討論。干燥污泥的 DSC-DTG曲線。實(shí)驗(yàn)中通入100mL/此外,由于污泥揮發(fā)份含量高、析出快,所以在min的空氣氣流以保持動態(tài)氣氛。兩圖左側(cè)縱坐標(biāo)TGA實(shí)驗(yàn)中污泥燃燒反應(yīng)速率主要由析出的揮發(fā)表示DSC測量過程中試樣失重1mg差熱放大器補(bǔ)份與氧氣的混合情況來決定,即污泥顆粒的燃燒反償電壓的變化量(△V),右側(cè)縱坐標(biāo)表示DTG測量應(yīng)主要受擴(kuò)散過程的控制。當(dāng)溫度達(dá)到定水平以時每分鐘試樣的失重百分比a,比較兩圖可發(fā)現(xiàn),后,大量的揮發(fā)份析出并在顆粒周圍形成一個氣膜40C/mn升溫速率下的污泥最大失重速率明顯比層,燃燒主要在氣膜層外表面與氧氣混合擴(kuò)散處進(jìn)20C/min升溫速率下的大,大約是后者的兩倍左行。該層的燃燒消耗了氧氣,只有當(dāng)揮發(fā)份燃盡到一右。但揮發(fā)份整體析出規(guī)律基本相同定程度,使氣膜破裂后,固定碳才能跟氧氣接觸,并由于實(shí)驗(yàn)中采用的樣品是干燥污泥所以在圖在溫度升到足夠高時開始燃燒。因此,在DTG曲線1中的DTG曲線(由a表示)上已看不到水份析出的高溫區(qū)才出現(xiàn)較明顯的固定碳燃盡區(qū)峰。但由DTG曲線可見,在較低溫區(qū)存在兩個相當(dāng)從圖1中DSC曲線(由△C表示)可見,失重速明顯的揮發(fā)份析出區(qū),另外在高溫區(qū)也有一個比較率比較大的3個區(qū)域分別對應(yīng)著一個放熱峰。由于明顯的固定碳燃盡區(qū)。揮發(fā)份析出區(qū)集中在較低溫污泥中固定碳含量很少,其放熱峰很小,污泥的熱值區(qū)的原因主要是因?yàn)槲勰嘀杏袡C(jī)物含量比較高,各主要由揮發(fā)份燃燒產(chǎn)生。在污泥的流化床焚燒爐中成分的化學(xué)鍵比較弱強(qiáng)弱差別也不大,因此溫度達(dá)揮發(fā)份在氣固兩相流動的攜帶作用下,在相當(dāng)大的到一定水平,就開始大量析出存在兩個顯著的揮發(fā)空間里和較長的行程上與氧氣反應(yīng),因此,污泥的燃燒過程以揮發(fā)份的空間燃燒為主2化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)求解求解非等溫化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)的方法很多0微分法通常是利用DTG曲線進(jìn)行計(jì)算,但由于影響DTG的因素較多,導(dǎo)致求得的動力學(xué)參數(shù)準(zhǔn)確性較差。 Coats和 Redfern3提出的積分法則直接利用TGA曲線,計(jì)算過程比較簡單而且準(zhǔn)確性好,本文即采用該方法求解反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)。假設(shè)在無窮小的時間間隔內(nèi),非等溫過程可以(a)升溫速率為20℃/min看作為等溫過程,則反應(yīng)速率可表示為da/ dt= kf(a)=Aexp(- E/RT)f(a),(1)式中:a為失重百分比,即某一溫度下試樣減少的質(zhì)-2量與達(dá)到實(shí)驗(yàn)終溫(本文為1173K)時試樣的總損失質(zhì)量之比;k為反應(yīng)速率常數(shù),min-t;A為顆率8因子為活化能,kJ/mol;T為溫度,Kf(a)=(1-a),表示未分解的反應(yīng)物與反應(yīng)速率之間的關(guān)系,n為反應(yīng)級數(shù)。對式(1)積分,并通過直線得到污泥的質(zhì)量損失過程中150~360C區(qū)間n=185C風(fēng)間=1。對于660~735C溫度區(qū)間,n在1~2之間(b)J溫速率為40C/min根據(jù)多數(shù)實(shí)驗(yàn)者的結(jié)果,假設(shè)污泥在660~735C溫圖1千燥污泥的 DSC-DTG曲線度區(qū)中國煤化工變區(qū)間的化學(xué)反應(yīng)動HCNMHG程見文[3]。由華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)2n01.1(10)擬合直線的斜率和截距,計(jì)算出十燥污泥在各溫度構(gòu),其在氧化劑中的反應(yīng)屬于氣兩相的非均相燃區(qū)間的活化能和頻率因子,結(jié)果見表1燒燃燒可能發(fā)生在碳粒外表面處,也可能發(fā)生在碳粒內(nèi)部的氣孔表面。因此,其反應(yīng)機(jī)制較為復(fù)雜尚需進(jìn)一步探討。另外,在485~660C區(qū)間還有個由熱解問固定碳燃燒過渡的中間過程,該過程中發(fā)生的反應(yīng)非常復(fù)雜,無法用單一的反應(yīng)機(jī)制描述。360考慮到污泥熱分析體現(xiàn)的特殊性質(zhì),在污泥流化床焚燒爐的設(shè)計(jì)中,在流態(tài)化組織、受熱面布置配風(fēng)組織以及爐膛整體結(jié)構(gòu)等方面都應(yīng)采取相應(yīng)的T!(×10°)/Ka)P20℃/min措施,以保證允分、清潔的焚燒污泥4結(jié)論污泥作為一種燃料,具有高水份、高揮發(fā)份,低固定碳含量的特點(diǎn);污泥的失重過程屮有3個失重-150-360C速率較高的溫度區(qū)域,前2個是揮發(fā)份的析出區(qū),第360~485C3個為固定碳的燃盡區(qū)66-735C污泥熱解過程的反應(yīng)機(jī)制以受核生長和干犰控T(×107/K;奶制的反應(yīng)為主。在485~660C區(qū)間有一個過渡過(b]B-40 C/mIn程,無法用單一的反應(yīng)機(jī)制描述圖2化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)圖污泥的燃燒過程以揮發(fā)份的空間燃燒為主,在設(shè)計(jì)焚嬈污泥的鍋爐時應(yīng)合理進(jìn)行燃燒組織,以提表1污泥的活化能和頻率因子高燃燒效率,降低污染排放水平=20 C/ min參考文獻(xiàn)( References1ˉ鏘或愛,黃國峰、吳啟堂.城市污水沔泥處理利用研究進(jìn)展137,1J.農(nóng)業(yè)環(huán)境與發(fā)展,199.16(1):60~:822.8JIA\G Chengal, HL NG Guoteng, wL Qutang. Advance ofutilization門]Agro-environment and Developmment, 1999. 15111: 13. (is.3反應(yīng)機(jī)理的分析由于反應(yīng)的機(jī)理方程F(a)=/d,所以當(dāng)[2]胡龍,何品品,邵立明,城市污水廠污泥熱干操理技術(shù)及其應(yīng)用分析LJJ.重慶壞境科學(xué),1999,21(1).n確定后,就可以得到各反應(yīng)階段反應(yīng)機(jī)理方程lU Long. HE Pingin, SHAO Liming. Technology and氏溫段(約150~360C)applacation analysis of thermal drying treatment for municipalwagt