城市污水污泥的熱解特性

N大學(xué)報(數然學(xué)5219計.10城市污水污泥的熱解特性奉華,張衍?chē)?邱天,吳占松(消華大學(xué)熱能「程系,北宗10084)擁要:為了解被內污水污泥蚋燃燒特性,利河差式掃描量境法規的日益嚴格,這類(lèi)處理方法已越來(lái)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物,可用作肥料,但由于污泥中建店污水處理廠(chǎng)的千燥污泥進(jìn)行了研究。實(shí)驗結果表明:的成分復雜,有害物質(zhì)較多,導致污泥農用技術(shù)在實(shí)吳污泥的失重過(guò)程中有3個(gè)失重速奉比較的區我,前2際應用中存在較多的樹(shù)難。人以揮發(fā)份約析當為主,第3^為困定碳的的燃盡區。釆用紂求梃了3^區域的化學(xué)反應動(dòng)力學(xué)參數,對其反應杋與以上幾種方法相比,焚燒法具有無(wú)害化、減容理過(guò)六了分析,論只蚋結果對污泥化床焚燒爐的設計有參化、資源化的優(yōu)點(diǎn),由于經(jīng)過(guò)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(lèi)號:X705有少量灰燼,大大減少了污泥的體積和重量,實(shí)現文章編號:10051(2010100903文獻標識碼:A減容減量。此外,焚燒的產(chǎn)物還有利用價(jià)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(kāi)發(fā)出了多種污Pyrolysis properties of municipal泥焚燒設備,流化床焚嬈爐由于具有燃料適應性廣sewage sluage燃燒效率高及易于實(shí)現對有害氣體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(lái)越廣泛的應用。hua University, Beijing 100084, China)燃料的燃燒特性硏究對于燃燒設備的設計及燃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(guò)熱分析手段hararteristirs uf dried sludge from the Beijing Gaobeidian Sewage對污泥的失重過(guò)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)驗所用試樣取自北京布高碑店污水處理廠(chǎng)combustionns is discussed. Some suggestionsthe design of sludge fluidized bed incinerators.污泥的工業(yè)分析結果表明,水份的質(zhì)量分數(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雜的廢棄物。據不氮和硫的100×v分別為37.79.4.65,3.91和完全統計,全國日污水排放量4474萬(wàn)米3,而污水69。低位發(fā)熱量為12610.5kJ/kg廠(chǎng)在凈化污水的同時(shí),將產(chǎn)生約占污水總處理量的由此可見(jiàn),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)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重要的環(huán)保課題在污泥的燃嬈過(guò)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、農用燒起主要作用,而固定碳的影響較小焚化等排海應當禁止,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(zhù)社會(huì )的發(fā)展、人口的增長(cháng)以及環(huán)作者簡(jiǎn)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,表明揮發(fā)份中有兩類(lèi)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(guò)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(lèi)成分的種類(lèi)、數量。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(xiàn)。實(shí)驗中通入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(dòng)態(tài)氣氛。兩圖左側縱坐標TGA實(shí)驗中污泥燃燒反應速率主要由析出的揮發(fā)表示DSC測量過(guò)程中試樣失重1mg差熱放大器補份與氧氣的混合情況來(lái)決定,即污泥顆粒的燃燒反償電壓的變化量(△V),右側縱坐標表示DTG測量應主要受擴散過(guò)程的控制。當溫度達到定水平以時(shí)每分鐘試樣的失重百分比a,比較兩圖可發(fā)現,后,大量的揮發(fā)份析出并在顆粒周?chē)纬梢粋€(gè)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,只有當揮發(fā)份燃盡到一右。但揮發(fā)份整體析出規律基本相同定程度,使氣膜破裂后,固定碳才能跟氧氣接觸,并由于實(shí)驗中采用的樣品是干燥污泥所以在圖在溫度升到足夠高時(shí)開(kāi)始燃燒。因此,在DTG曲線(xiàn)1中的DTG曲線(xiàn)(由a表示)上已看不到水份析出的高溫區才出現較明顯的固定碳燃盡區峰。但由DTG曲線(xiàn)可見(jiàn),在較低溫區存在兩個(gè)相當從圖1中DSC曲線(xiàn)(由△C表示)可見(jiàn),失重速明顯的揮發(fā)份析出區,另外在高溫區也有一個(gè)比較率比較大的3個(gè)區域分別對應著(zhù)一個(gè)放熱峰。由于明顯的固定碳燃盡區。揮發(fā)份析出區集中在較低溫污泥中固定碳含量很少,其放熱峰很小,污泥的熱值區的原因主要是因為污泥中有機物含量比較高,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)鍵比較弱強弱差別也不大,因此溫度達揮發(fā)份在氣固兩相流動(dòng)的攜帶作用下,在相當大的到一定水平,就開(kāi)始大量析出存在兩個(gè)顯著(zhù)的揮發(fā)空間里和較長(cháng)的行程上與氧氣反應,因此,污泥的燃燒過(guò)程以揮發(fā)份的空間燃燒為主2化學(xué)反應動(dòng)力學(xué)參數求解求解非等溫化學(xué)反應動(dòng)力學(xué)參數的方法很多0微分法通常是利用DTG曲線(xiàn)進(jìn)行計算,但由于影響DTG的因素較多,導致求得的動(dòng)力學(xué)參數準確性較差。 Coats和 Redfern3提出的積分法則直接利用TGA曲線(xiàn),計算過(guò)程比較簡(jiǎn)單而且準確性好,本文即采用該方法求解反應動(dòng)力學(xué)參數。假設在無(wú)窮小的時(shí)間間隔內,非等溫過(guò)程可以(a)升溫速率為20℃/min看作為等溫過(guò)程,則反應速率可表示為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量與達到實(shí)驗終溫(本文為1173K)時(shí)試樣的總損失質(zhì)量之比;k為反應速率常數,min-t;A為顆率8因子為活化能,kJ/mol;T為溫度,Kf(a)=(1-a),表示未分解的反應物與反應速率之間的關(guān)系,n為反應級數。對式(1)積分,并通過(guò)直線(xiàn)得到污泥的質(zhì)量損失過(guò)程中150~360C區間n=185C風(fēng)間=1。對于660~735C溫度區間,n在1~2之間(b)J溫速率為40C/min根據多數實(shí)驗者的結果,假設污泥在660~735C溫圖1千燥污泥的 DSC-DTG曲線(xiàn)度區中國煤化工變區間的化學(xué)反應動(dòng)HCNMHG程見(jiàn)文[3]。由華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)2n01.1(10)擬合直線(xiàn)的斜率和截距,計算出十燥污泥在各溫度構,其在氧化劑中的反應屬于氣兩相的非均相燃區間的活化能和頻率因子,結果見(jiàn)表1燒燃燒可能發(fā)生在碳粒外表面處,也可能發(fā)生在碳粒內部的氣孔表面。因此,其反應機制較為復雜尚需進(jìn)一步探討。另外,在485~660C區間還有個(gè)由熱解問(wèn)固定碳燃燒過(guò)渡的中間過(guò)程,該過(guò)程中發(fā)生的反應非常復雜,無(wú)法用單一的反應機制描述。360考慮到污泥熱分析體現的特殊性質(zhì),在污泥流化床焚燒爐的設計中,在流態(tài)化組織、受熱面布置配風(fēng)組織以及爐膛整體結構等方面都應采取相應的T!(×10°)/Ka)P20℃/min措施,以保證允分、清潔的焚燒污泥4結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(guò)程屮有3個(gè)失重-150-360C速率較高的溫度區域,前2個(gè)是揮發(fā)份的析出區,第360~485C3個(gè)為固定碳的燃盡區66-735C污泥熱解過(guò)程的反應機制以受核生長(cháng)和干犰控T(×107/K;奶制的反應為主。在485~660C區間有一個(gè)過(guò)渡過(guò)(b]B-40 C/mIn程,無(wú)法用單一的反應機制描述圖2化學(xué)反應動(dòng)力學(xué)參數圖污泥的燃燒過(guò)程以揮發(fā)份的空間燃燒為主,在設計焚嬈污泥的鍋爐時(shí)應合理進(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( References1ˉ鏘或愛(ài),黃國峰、吳啟堂.城市污水沔泥處理利用研究進(jìn)展137,1J.農業(yè)環(huán)境與發(fā)展,199.16(1):60~:822.8JIA\G Chengal, HL NG Guoteng, wL Qutang. Advance ofutilization門(mén)]Agro-environment and Developmment, 1999. 15111: 13. (is.3反應機理的分析由于反應的機理方程F(a)=/d,所以當[2]胡龍,何品品,邵立明,城市污水廠(chǎng)污泥熱干操理技術(shù)及其應用分析LJJ.重慶壞境科學(xué),1999,21(1).n確定后,就可以得到各反應階段反應機理方程lU Long. HE Pingin, SHAO Liming. Technology and氏溫段(約150~360C)applacation analysis of thermal drying treatment for municipalwagt