中國(guó)環(huán)境科學(xué)2011,31(3):408-411China Environmental Science釆用熱重分析法研究煤摻燒干污泥燃燒特性李洋洋,金宜英,李歡2(清華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系北京10084:2清華大學(xué)深圳研究生院廣東深圳518055)摘要:利用熱重分析法對(duì)干污泥和煤及二者混合樣的燃燒特性進(jìn)行了研究結(jié)果表明在空氣介質(zhì)、升溫速率25℃/min、溫度范圍20-1000℃的情況下,干污泥分別在280℃、480℃出現(xiàn)2個(gè)失重峰煤在500℃時(shí)出現(xiàn)1個(gè)失重峰隨著千污泥摻燒比增加混合樣失重速率峰值及最大燃燒速率值增大岀現(xiàn)溫度提前.ˉ定比例范囤的干污泥擲燒可以改善煤的著火性能,冇利于煤的穩(wěn)定燃燒燃料的叮燃燒性指數(shù)增加,使燃燒特性改善該指數(shù)介于干污泥和煤?jiǎn)?成分燃燒特性指數(shù)之間關(guān)鍵詞:熱重分析:污泥;煤;摻燒比;燃燒特性中圖分類號(hào):X70文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1000-6923(20103040804Thermo-gravimetric analysis and co-combustion characteristics of dried sludge and coal. LI Yang-yang, JINYi-ying, LI Huan(1. Department of Environmental Science and Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084China; 2. Graduate School at Shenzhen, Tsinghua University, Shenzhen 518055, China). China Environmental Science,2011,31(3):408411Abstract: The combustion behaviors of dried sludge, coal and their mixtures were investigated by a thermo-gravimetricanalysis(TGA)in the temperature range from 20 to 1000C with the heating rate of 25C/min. The coal sample had oneweight loss peak at the temperature of 500C while dried sludge had two at the temperature of 280 and 480C. When the ratioof dried sludge in the blend was appropriate, the values of both weight loss rate peak and maximum combustion rateincreased while the appearance temperature decreased. At the same time, the ignition performance of coal could be improvedby co-combustion with dried sludge, which also was conductive to the stability of coal combustion. Combustioncharacteristics of the blends were improved and the flammability index was between the two values of coal and dried sludgeKey words: thermal gravimetric analysis; sludge: coal; mixing ratio: co-combustion characteristics城市污水處理廠每年產(chǎn)生大量的污泥,其處煤混合物的著火及燃燒特性隨著污泥的摻燒比理成本已經(jīng)成為制約該行業(yè)發(fā)展的瓶頸因素單例不同而不同 Xiao HanMin等采用熱重分析獨(dú)建設(shè)污泥處置設(shè)施不僅投資成本高,且運(yùn)行費(fèi)方法對(duì)燃燒空氣中不同含氧量、不同加熱速度時(shí)用昂貴利用其他工業(yè)的余熱資源,干化污泥、燃污泥與煤的混燒特性進(jìn)行了研究.國(guó)外研究燒設(shè)備焚燒污泥,可以大幅降低污泥的處理費(fèi)者β1對(duì)一些化石燃料、替代燃料及幾種固體廢用叮污泥脫水后含水率一般在80%左右處理量物在不同控制條件下的升溫速率、空氣流速等混大時(shí),般先經(jīng)熱干化干燥成干污泥,再與煤混燒.燒特性的模型進(jìn)行了相關(guān)研究雖然干污泥熱值較高但灰分含量高、碳轉(zhuǎn)化率本試驗(yàn)采用熱重分析法對(duì)不同干污泥及煤低因此在污泥的熱轉(zhuǎn)化過(guò)程中控制費(fèi)用耗費(fèi)較摻燒比例時(shí)混合燃料的熱失重過(guò)程進(jìn)行分析,獲多凹李培生等通過(guò)差熱分析研究,得到污泥與得不同摻燒比例時(shí)干污泥與煤混合燃燒特性,從煤燃燒的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù),二者燃燒各自保持獨(dú)而為V中國(guó)煤化工論依據(jù)立性 Liao Yan Feng等采用熱重分析法對(duì)煤與收稿日CNMHG造紙污泥熱解及焚燒過(guò)程進(jìn)行了研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)蕃金項(xiàng)目;“+五"國(guó)家科技支據(jù)計(jì)劃項(xiàng)目(209BAC6Bo加熱速率較高時(shí)污泥揮發(fā)階段出現(xiàn)較早;污泥與·責(zé)任作者.副教授,jmy@tsinghua.edu.cn3期李洋洋:采用熱重分究煤摻燒干污泥燃燒特性1材料與方法試驗(yàn)所用煤來(lái)自北京市某鍋爐房污泥樣品為北京市某污水處理廠的脫水泥餅pH669將污1.1材料泥干燥后破碎,試樣粒度過(guò)150目篩表1煤與污泥理化特性Table 1 Characteristics of the sludge and coal樣品含水率(%)揮發(fā)分(%o)灰)c%)H%)N%S(%)%高位熱值lg)二煤l3223000093201.2試驗(yàn)方法要為干污泥中易揮發(fā)部分的析出及燃燒過(guò)程,占實(shí)驗(yàn)采用熱重分析儀為STA409C131F型,總失重的4225%;第二階段位于450-550℃之間,技術(shù)指標(biāo)溫度范圍為室溫~1600℃樣品重量主要為干污泥中相對(duì)難揮發(fā)部分的析出及燃燒Ω20g溫升速率為0l~999℃hmin測(cè)試條件:升溫過(guò)程,占總失重的27.75%2個(gè)失重峰的峰值溫度速率25℃/mn試樣質(zhì)量為(20+0mg,含水率為分別為280,480℃,對(duì)應(yīng)的失重速率峰值為853%試驗(yàn)溫度范圍20-1000℃燃燒氣氛為空5524,9.885%min;煤樣的熱重曲線(TG)只在氣介質(zhì)400~600℃區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)了一次明顯的失重過(guò)程,13分析方法占總失重的7693%微分熱重曲線DTG)上對(duì)應(yīng)1.3.1著火溫度煤的著火溫度(T)是指煤在一個(gè)獨(dú)立的失重過(guò)程煤樣失重速率峰值出現(xiàn)在空氣或氧氣中加熱時(shí)達(dá)到連續(xù)燃燒的最低溫度,500℃,為13.92%min這與干污泥和煤樣中的揮著火溫度可以反映燃料點(diǎn)燃的難易程度著火溫發(fā)分含量有關(guān)系由于煤樣中的揮發(fā)分含量低揮度只能代表煤在燃燒初期的反應(yīng)能力不能概括發(fā)分析出溫度比干污泥高,因此干污泥中的揮發(fā)整個(gè)燒燃過(guò)程.分析出過(guò)程造成了樣品失重率與失重量要比煤為將各煤種以燃燒性能的優(yōu)劣排成序列采用樣顯著而煤樣中揮發(fā)分析出與焦炭燃燒階段沒(méi)可燃性指數(shù)進(jìn)行比較可燃性指數(shù)可以反映燃料點(diǎn)有明顯分開,從而導(dǎo)致?lián)]發(fā)分析出階段煤樣的燃的難易程度,燃燒的快慢及燃盡的難易程度凹.DTG曲線沒(méi)有出現(xiàn)明顯的獨(dú)立失重速率峰由此可燃性指數(shù)越大燃料燃燒著火穩(wěn)定性越好.說(shuō)明污泥與煤的燃燒過(guò)程存在差異污泥的燃燒1.3.2綜合燃燒特性指數(shù)采用綜合燃燒特性過(guò)程,揮發(fā)分的析岀和燃燒占主要作用;煤燃燒時(shí),指數(shù)(⑧S)來(lái)表征混合樣品的綜合燃燒性能S越大,焦碳燃燒占主要作用.燃料的燃燒特性越好為了研究干污泥與煤混合時(shí)的燃燒特性將s=(d/d )m x(dw/dr)干污泥與煤的摻燒比例分別設(shè)為3%,5%10%,20%,30%50%80%的摻燒比例進(jìn)行熱重分析實(shí)式中:( dildo)為最大燃燒速率,%min;(dW驗(yàn)干污泥與煤分別在空氣介質(zhì)中從20至d)emn為可燃質(zhì)平均燃燒速率,%min;Th為燃盡1000℃加熱升溫,升溫速率25℃min,兩者的TG溫度℃;T為著火溫度,℃與DTG曲線如圖2所示2結(jié)果與討論從圖2中可以看出,干污泥與煤摻燒時(shí)混合樣的中國(guó)煤化工1個(gè)明顯的失重21樣品失重特性分析階段3CNMH GG曲線的失重速由圖1可見(jiàn),干污泥焚燒過(guò)程中的失重主要率峰值隨著摻燒比的提高而升高分別為8189,分為2個(gè)階段第一階段位于200400℃之間主8266,8.827%min,對(duì)應(yīng)的溫度分別為470,450410440℃增加揮發(fā)分的析出階段失重增加摻燒比10%時(shí)的失重速率比3%和5%時(shí)要高0.638%100TG干污泥1290.561%min焦炭燃燒階段的失重速率峰出現(xiàn)的一----了G煤溫度隨著摻燒比增加而降低,以摻燒比為10%為D千污測(cè)9冒例分別比3%、5%時(shí)降低了30,10℃比單一煤樣4提前了60℃因此,干污泥與煤摻燒時(shí),隨著干污泥摻燒比的增加樣品的揮發(fā)分失重速率峰值增大,失重速率峰出現(xiàn)的時(shí)間提前,出現(xiàn)時(shí)的溫度降低樣品揮01002003004005006007008009001000溫度發(fā)出的質(zhì)量增加圖1干污泥與煤在空氣介質(zhì)中的 TG-DTG曲線2.2燃燒著火特性及燃盡特性分析Fig 1 TG-DTG curves of dried sludge and coal in airmedium from 20 to 1000C with heating rate表2于污泥及煤不同摻燒比例時(shí)的燃燒特性參數(shù)升溫速率為25℃/min20-000℃combusted with different ratio of coal污泥摻燒比峯(%)T”f( dw/domax(dWd)m14.193845704678.31873875764533965855069.062.129848039256650201002003004005006007008009001000Cx×105溫度(℃圖2不同干污泥摻燒比例時(shí)污泥與煤的 TG-DTG曲線Fig 2 TG-DTG curves of dried sludge combusted withdifferent ratio of coal in air medium from 20 to 1000Cwith heating rate of 25C/min升溫速率為25℃/min20-1000℃TG-3%0406080100- DTG-5%TG-10%TG20%TG30%摻燒比例%TG-50%圖3不同干污泥摻燒比例時(shí)混合燃料C與S曲線DTG-3%一DTG10%DTG-%DTG-30%Fig 3 Curves of C and S of dried sludge combusted withDTG-50%different ratio of coal in air medium from 20 to 1000 Cheating rate of75℃min當(dāng)煤中摻燒干污泥時(shí),混合樣品中的揮發(fā)分中國(guó)煤化工含量比單一煤時(shí)高比單一干污泥時(shí)低所以隨著CNMHG摻燒干污泥時(shí)的最大失重速率均比單一煤樣時(shí)對(duì)圖1和圖2進(jìn)行分析和處理可以得到樣品低摻燒比例增大時(shí)混合樣中的揮發(fā)分量進(jìn)一步的著火溫度T、最大燃燒速率(dWd)m及其所期李洋洋:采用熱重分析法研究煤摻燒干污泥燃燒特性對(duì)應(yīng)的溫度T、燃盡溫度T定義為失重占總燒速率燃燒特性指數(shù)等來(lái)確定失重95%時(shí)的溫度)2,如表2所示可燃性指數(shù)qc、(dW18m=,單位為10°%(mnKy,見(jiàn)參考文獻(xiàn)T2[1] Calvo L F, Otero M Heating process characteristics and kinetics圖3.of sewage sludge in different atmospheres [] Thermochimice( dw/dr)max i越大,著火溫度越低時(shí)燃料越容Aca,2004409(2):127-135.易燃燒從表2及圖3中可以看出干污泥的著火[2]Bowman C T. Kinctics of pollutant formation and destruction in溫度比煤低35℃,隨著干污泥摻燒比例的增大,凹李培生李潔胡益等基于DA方法的污泥與煤混合物燃混合樣的最大燃燒速率值升高最大燃燒速率出燒反應(yīng)動(dòng)力學(xué)[華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版現(xiàn)的溫度提前同時(shí)污泥與煤混合樣的著火溫度降低混合樣的可燃性指數(shù)C介于污泥和煤樣可 Liao Yanfen, a Xiaoqian. Thermogravimetric analysis o燃性指數(shù)之間這說(shuō)明摻燒污泥后樣品的著火性co-combustion of coal and paper mill sludge [] Applied Energy,2010,87(11)3526-3532能得到了改善摻燒一定量的干污泥可以改善煤5 Xiao Hanmin, Ma Xiaoqian, Liu Kai, Co-combustion kinetics o的著火性能有利于煤的穩(wěn)定燃燒這是因?yàn)槲勰?wage sludge with coal and coal gangue under different中揮發(fā)分含量較高摻燒干污泥后,混合樣中的揮 atmospheres [] Energy Conversion and Managemen2010發(fā)分可以在溫度較低時(shí)析出51(10):197619823混合燃燒特性指數(shù)分析[6]Campanella L, Tomassetti M, Tomellini R. Thermoanalysis ofancient, fresh water logged woods [] J. Therm. Anal, 1991從圖3中可以看出,干污泥的摻燒比例較大37(8):1923-1932時(shí)燃料的可燃燒性指數(shù)增加混合燃料的燃燒特[η Jaber JC, Probert S D. Pyrolysis and gasification kinetics o性變好但是比污泥和煤?jiǎn)我怀煞值娜紵匦灾?Jordanian oil- shales [J]. Appl. Energy,19966286數(shù)小結(jié)合著火溫度及燃盡溫度,干污泥的摻燒比 beling J! M. Physical and chemical properties o例增加時(shí)有利于混合燃料的燃燒但摻燒比例過(guò)biomass fuels F). Trans. ASAE, 1985, 28(3): 898-902[9] Sorum L, Gronli M G, Hustad J E. Pyrolysis characteristics and大時(shí),不利于改善燃料的燃燒性能kinetics of municipal solid wastes [J]. FueL, 2001, 80: 1217-1227.3結(jié)論[10] Conesa J A, Font Rombustion of tyre wastes []. Fuel, 1998, 77(13): 1469-1475.31污泥燃燒過(guò)程揮發(fā)分占主要作用,單一干]路春美王立真邵延玲等用熱重法確定的著火溫度與可燃污泥樣的TG曲線主要有2次失重階段分別為性指數(shù)[山東電力技術(shù),19942:68-71[2]劉亮李錄平周孑民等污泥和煤混燒特性的熱重試驗(yàn)研究易揮發(fā)分及難揮發(fā)分的析出及燃燒段分別占總門.華北電力大學(xué)學(xué)報(bào),200636):7679.失重的4225%,27.75%DTG曲線上對(duì)應(yīng)2個(gè)獨(dú)13]孫學(xué)信燃煤鍋爐燃燒實(shí)驗(yàn)技術(shù)與方法DM,北京中國(guó)電力出立失重速率峰對(duì)應(yīng)溫度分別為280、480℃煤樣社,200燃燒過(guò)程中焦炭起主要作用,只表現(xiàn)一次明顯失4聶其紅孫紹增李爭(zhēng)起等褐煤混媒燃燒特性的熱重分析法研重過(guò)程占總失重的7693%對(duì)應(yīng)溫度為500℃究門燃燒科學(xué)與技術(shù)2001,(1):72-7632混合燃燒時(shí)隨著干污泥摻燒比例的增加作者簡(jiǎn)介:李洋洋(1984男河南確山人碩士研究生主要從事固混合樣的揮發(fā)分失重速率峰值增大失重速率峰體廢物控制及資源化研究發(fā)表論文3篇出現(xiàn)的時(shí)間提前,出現(xiàn)時(shí)的溫度降低33煤樣中摻燒污泥后,與單一煤樣相比,污泥與煤混合樣的著火溫度降低可燃性指數(shù)減少,綜中國(guó)煤化工合燃燒性能下降CNMHG34工業(yè)企業(yè)摻燒污泥技術(shù)上是可行的合理的污泥摻燒比例通過(guò)綜合考慮著火溫度、最大燃