傳統熱源及微波熱源熱解污泥熱重分析的對比

第25卷第3期哈爾濱商業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)Vol 25 No. 32009 F6 Journal of Harbin University of Commerce( Natural Sciences Edition) Jun 2009傳統熱源及微波熱源熱解污泥熱重分析的對比方琳',趙緒新,田禹2,武偉男2(1深圳大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院廣東深圳518060;2哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院哈爾濱15000)摘要:為了解不同熱源作用下污泥的熱解特性,對比分析了傳統熱源及微波熱源熱解污泥過(guò)程的熱失重特性研究表明,傳統熱源熱解污泥過(guò)程可以分為水份析出、揮發(fā)份析出、熱解炭深度熱解3個(gè)失重階段;微波熱源熱解污泥過(guò)程水份析出、揮發(fā)分析出及熱解炭深度熱解三個(gè)階段存在時(shí)間上交互微波熱源熱解污泥熱解階段的交互是影響其產(chǎn)物性能的重要因素關(guān)鍵詞:污泥;微波;熱解;熱重分析中圖分類(lèi)號:X703文獻標識碼:A文章編號:1672-0946(2009)03-0296-05Comparison of thermo gravimetric analysis of sewagesludge pyrolyzed by traditional and microwavable heat sourceFANG Lin, ZHAO Xu-xin, TIAN Yu, WU Wei-n(1. School of Chemistry and Chemical Engineering, Shenzhen University, Shenzhen 518060, China;2. School of Municipal and Environmental Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090,ChinaAbstract To gain the pyrolysis characteristics of sewage sludge under different heat sourcethe thermo- gravimetric analysis of sewage sludge pyrolyzed by traditional and microwavableheat source is studied. It is found that the traditional pyrolysis process experienced three pe-riods of losing weight, that including release of water and volatiles, burn out of carbon. Andthis three periods of losing weight happened at the same time under the pyrolysis of micro-wave. The interaction of losing weigh periods is one of the most important factor that effectthe characteristics of production under the pyrolysis of microwaveKey words: sewage sludge; microwave radiation; pyrolysis; thermo-gravimetric污泥的治理問(wèn)題已經(jīng)成為威脅生態(tài)環(huán)境的難礎上,對比分析了傳統熱源與微波熱源熱解污泥過(guò)題常見(jiàn)的污泥焚燒、填埋和制肥等處理技術(shù)均存程的熱失重特性,以期為優(yōu)化污泥熱解過(guò)程、促進(jìn)在二次污染問(wèn)題.污泥中富含60%-80%的有污泥的資源化利用提供參考數據機質(zhì)如何利用污泥中的有機質(zhì)成為當前研究的1實(shí)驗材料及方法熱點(diǎn).傳統熱源熱解污泥產(chǎn)生的氣、液態(tài)產(chǎn)物熱值可分別達到15530k/m332475k/kg2);微波熱1.1實(shí)驗材料源熱解污泥產(chǎn)生的氣、液態(tài)產(chǎn)物熱值可分別達到本文以某城市污水處理廠(chǎng)的脫水污泥(含水9420H/m37M/kg,而且氣態(tài)產(chǎn)物中H2及CO率70%)及干污泥為研究對象為熱重分析試驗結高達54%以上液態(tài)產(chǎn)物中PAHs低于537%的果的分析提供依據對該污泥進(jìn)行工業(yè)分析和元素優(yōu)勢本文分別在實(shí)現微波高溫熱解污泥的基分析,中國煤化工收稿日期:2009-02-17CNMHG基金項目:廣東省自然基金(845180601001781);深圳大學(xué)青年基金(4FL);深圳市功能高分子重點(diǎn)實(shí)驗室開(kāi)放基金作者簡(jiǎn)介:方琳(1978-),女,博士,講師;研究方向污泥處理第3期方琳,等:傳統熱源及微波熱源熱解污泥熱重分析的對比表1污泥的基本特性分析1.3微波熱源熱解污泥的實(shí)驗方法含水率%灰分/%揮發(fā)分/%pH值有機元素/%本實(shí)驗首先按照表2的比例分別向污泥中添70±1.330±1.375±4.36.739.42445.74.751.18加SiC、Fe2O3、活性炭污泥熱解剩余固體殘留物(RSR)四種微波能吸收物質(zhì),實(shí)現污泥在圖1微波1.2傳統熱源熱解污泥的實(shí)驗方法熱解裝置中的高溫熱解表2微波高溫熱解污泥微波能吸收物質(zhì)添加質(zhì)量及比例采用法國 Setaram公司TGA942型常壓熱重差污花質(zhì)量/化例微波紙吸收物質(zhì)質(zhì)量輸人功率熱分析儀完成傳統熱源熱解污泥的熱重分析.實(shí)驗微發(fā)高熱解反應在氮氣氣氛下進(jìn)行,由程序設定升溫速率20℃碳化跬(SC)414%min、終溫900℃,用a-Al2O3做參比物實(shí)驗過(guò)程氧化二鐵(F203)中由熱天平自動(dòng)記錄相關(guān)信號,獲得熱重曲線(xiàn)、微5是熱解剩余殘物(Ey8%商熱重曲線(xiàn)和差熱曲線(xiàn)6鑄1—高純氮氣導入管;2一熱解污泥3-微波源;4一產(chǎn)物導出管;5一紅外測溫儀;6—石英管;7一冷凝器;8—油類(lèi)產(chǎn)物收集瓶;9—集氣袋圖1實(shí)驗反應裝置圖目前尚未有以微波為熱源的熱重分析儀本研看出:濕污泥在整個(gè)熱解過(guò)程可分3個(gè)階段:1)水究采用平行實(shí)驗法分析微波熱解污泥過(guò)程不同時(shí)分析出階段:溫度范圍為325-1895℃,其中在間的失重率確定微波熱解污泥過(guò)程升溫及失重曲1116℃出現水分最大析出速率;2)揮發(fā)份析出區線(xiàn)為保證惰性裂解反應環(huán)境,反應裝置在實(shí)驗開(kāi)段:其溫度范圍為1895~545.5℃,在這一區段始前20min,以100mL/min的流速充入高純氮.存在兩個(gè)明顯的揮發(fā)份析出階段,其中第一個(gè)階段2結果與討論的溫度范圍為189.5~379.2℃,揮發(fā)份析出對應的最大速率對應的溫度為308.1℃,第二個(gè)階段的2.1濕污泥傳統熱源熱解過(guò)程的熱重分析溫度范圍為379.2~545.5℃,揮發(fā)份析出對應的傳統熱源高溫熱解濕污泥過(guò)程的熱重分析結最大速率對應的溫度為457.7℃;3)熱解炭深度果如圖2所示解析圖2給出的TG、DTG曲線(xiàn)可以熱解階段:溫度范圍大于545.5℃的范圍內.··“““““““201-36001000溫度/C中國煤化工圖2傳統熱源高溫熱解濕污泥郎HCNMHG由圖2仍可判斷:傳統熱源熱解濕污泥過(guò)程,水分析出是最主要的失重發(fā)生區域,也是明顯吸熱298哈爾濱商業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)第25卷過(guò)程;揮發(fā)份析出階段小分子氣體及大分子可凝揮速率對應的溫度為4847℃;3)熱解炭深度熱解階發(fā)分析出也引起明顯失重段:溫度范圍大于583.7℃的范圍內2.2干污泥傳統熱源熱解過(guò)程的熱重分析由圖3仍可判斷:傳統熱源熱解干污泥過(guò)程傳統熱源髙溫熱解干污泥過(guò)程的熱重分析結果揮發(fā)分析出是最主要的失重發(fā)生區域,也可明顯分如圖3所示解析圖3給出的熱重分析曲線(xiàn)可以看為兩個(gè)吸熱階段;揮發(fā)份析出區段的最大析出速率出除水分析出階段外,濕污泥與干污泥的熱重分析向更高溫度移動(dòng)曲線(xiàn)有一致的演化趨勢傳統熱源熱解干污泥仍可分總結傳統熱源高溫熱解污泥過(guò)程的熱重分析為以下3個(gè)階段:1)水分析出階段:該升溫階段由于結果可以看出:由于傳統高溫熱解過(guò)程主要靠熱傳水分子含量較低存在質(zhì)量降低幾乎為零;2)揮發(fā)份導溫度梯度等因素傳遞熱量,所以不同污泥在其析出區段:其溫度范圍為1683-583.7℃,在這一區中的傳統高溫熱解過(guò)程均有明顯的階段分布而段仍存在兩個(gè)明顯的揮發(fā)份析出階段,其中第一個(gè)階且,不同污泥揮發(fā)分析出區段均集中在較低溫區段的溫度范圍為l68.3~415.7℃,揮發(fā)份析出對應主要是污泥中有機物含量比較高各成分的化學(xué)鍵的最大速率對應的溫度為4.7℃第二個(gè)階段的溫比較弱強弱差別也不大,因此溫度達到一定水平,度范圍為457~583.7℃,揮發(fā)份析出對應的最大就開(kāi)始大量析出(桑=0∞001000溫度/CDTA放大圖4====25}……"wM………團…2001000溫度/°c圖3傳統熱源高溫熱解干污泥的熱重分析結果23污泥微波熱源熱解過(guò)程的熱重分析的低溫階段段為300℃至800℃的快速溫不同微波能吸收物質(zhì)添加條件下污泥失重率及度過(guò)中國煤化工的高溫階段結溫度隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)如圖4所示從圖4中可以看合CNMHG可快速達到30出:添加不同微波能吸收物質(zhì)條件下的污泥升溫曲線(xiàn)℃左右的低溫階段,即實(shí)現水分及揮發(fā)份的同時(shí)析總體均可以分為3個(gè)階段第一個(gè)階段為300℃左右出,其中添加SC的速度最快添加活性炭次之添加第3期方琳,等:傳統熱源及微波熱源熱解污泥熱重分析的對比炭化污泥和Fe2O3的速度相當;除以FeO3為微波能熱解有機物高溫熱解兩種失重作用共同組成重量緩吸收物質(zhì)外,其他微波熱解污泥300至8℃的溫慢減少區段主要是難熱解有機物深度熱解及熱解炭度快速過(guò)渡階段均在2~3mn內完成;800℃的污泥深度熱解兩種失重作用共同組成揮發(fā)份析出和難熱髙溫熱解階段,可以分為重量快速減少區段和重量緩解有機物髙溫熱解在同一階段共同發(fā)生是影響熱解慢減少區段,重量快速減少區段是由揮發(fā)份析出和難氣液態(tài)產(chǎn)物的重要因素1000日00000失重日失重20升溫一升溫0024681002468微波輻射時(shí)間min微波輻射時(shí)間/mn活性炭1000炭化污泥求哥爾水20失重。升溫0微波輻射時(shí)間min微波輻射時(shí)間min圖4污泥微波高溫熱解升溫及失重曲線(xiàn)24不同熱解過(guò)程對產(chǎn)物性能的影響分析中H2和CO的含量遠低于微波熱解反應過(guò)程綜合微波熱解污泥升溫及失重曲線(xiàn)可以判斷:C+H2O→CO+H2微波熱解污泥主要通過(guò)電磁場(chǎng)快速激發(fā)污泥中的Co+H20-→CO2+H2微波能吸收物質(zhì),使其快速成為熱核心,實(shí)現高溫CH4+H2O→CO+3H2熱解,因此溫度變化過(guò)程主要受到微波能吸收物質(zhì)(CH2)-+H2O→CO+2H2(4吸波性能的影響對于添加SC、活性炭和炭化污C+CO2→+2C0(5泥的微波熱解過(guò)程在水沒(méi)有完全析出時(shí),便躍人(CH2)-+CO2-+2C0+H2(6)高溫階段,實(shí)現有機物分解;對于添加Fe2O3的污可見(jiàn)微波熱解污泥不同物質(zhì)交互析出現象是泥微波熱解過(guò)程,其在300℃以下的低溫階段停留實(shí)現氣態(tài)產(chǎn)物中H2和CO含量大大增加的重要原時(shí)間達到4mn,水分基本徹底析出,與傳統高溫熱因,也是影響熱解產(chǎn)物性質(zhì)的重要因素解過(guò)程有相似性.升溫至60℃是快速破壞揮發(fā)物結構的重要3結論階段勻.對于微波熱源熱解污泥過(guò)程,溫度達到通過(guò)上述實(shí)驗分析,主要可得出以下幾個(gè)方面600℃時(shí),污泥中有大量水分存在,可實(shí)現式(1)至的結論式(6)的裂解反應,使氣態(tài)產(chǎn)物中H2和CO的含量中國煤化工泥過(guò)程可明確大大增加對于傳統熱源熱解污泥過(guò)程,溫度達到分為」CNMHG份析出階段熱600時(shí),污泥水分含量為零氣態(tài)產(chǎn)物中H2和CO解炭涂度I,has個(gè)同含水舉燈傳統熱解過(guò)程的主要來(lái)自于式(5)和式(6)的裂解反應,氣態(tài)產(chǎn)物水分析出階段有明顯影響30C哈爾濱商業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)第25卷2)將SCe2O3、活性炭和微波裂解污泥固態(tài)the pyrolysis of sewage sludge for the production of bioo[ J]產(chǎn)物作為微波能吸收物質(zhì),可實(shí)現污泥在微波場(chǎng)中Bioresource Technology, 2008. 99(5): 1409-1416的800℃高溫熱解[2]李海英,張書(shū)廷,趙新華城市污水污泥熱解實(shí)驗及產(chǎn)物特性[]天津大學(xué)學(xué)報,2005,39(6):739-7443)微波高溫熱解污泥升溫過(guò)程受到微波能吸(3]方琳,田禹,曹長(cháng)玉,等,微波高溫熱解污水污泥各態(tài)收物質(zhì)的影響;水分析出、揮發(fā)分析出和熱解炭深產(chǎn)物特性分析[刀安全與環(huán)境學(xué)報,2008,8(1):29-3度熱解三個(gè)階段在時(shí)間上存在交互貫穿污泥微波[4]奉華張衍?chē)?邱天,等城市污水污泥的熱解特性高溫的始終[刀].清華大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2001,40(10):90-924)高溫階段水分的存在是引起微波熱解污泥[5]MORF P, HASLER P, NUSSBAUMER T. Mechanisms and kinetics of homogeneous secondary reactions of tar fro continue氣態(tài)產(chǎn)物中H2和CO含量大大增加的重要原因Tolysis of wood chips[J]. Fuel, 2002, 81 (7): 843-853參考文獻:[1] KIMA Y, PARKER W. A technical and economic evaluation of(上接295頁(yè)化條件為H12O2/Fe2物質(zhì)的量的比為3:1;FeSO4可大量降低水中的懸浮物7H2O投加量為5mmoL;pH=3.0;去處率達直接芬頓試劑氧化法能達到與絮凝-氧化法82.71%相同的效果,但氧化劑用量增加,這會(huì )大大增加成3)比較絮凝-氧化法和直接芬頓試劑氧化本.法,盡管二者去除率都較高且相差不多,說(shuō)明處理3結論效果都較好,沒(méi)多大差別,但前者比后者大大減少了芬頓試劑的使用量,成本節省很多.所以絮凝1)聚合氯化鋁的最佳投放量為0.8mg/L,此氧化法是有較大應用前景的時(shí),污水的COD值從834.4mg/L降至584.3mg參考文獻L,去除率為2997%,去除效果是較好的聚丙烯酰胺的最佳投放量為6g/L,處理的1趙慶良特種廢水處理技術(shù)M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出水COD值降至356.6mg/L,去處率達27.29%,單版社,2003獨以本階段計算的去除率為38.97%[2]張偉孫金蓉趙立欣等廢鐵屑-過(guò)氧化氫法處理煉油廠(chǎng)含酚廢水[門(mén)].工業(yè)水處理,2003,23(6):18-20污水經(jīng) PAC PAM處理后,接著(zhù)向水樣中加入[3] CHEN R Z, JOSEPH J P. Role of Quinone芬頓試劑,最佳條件為:H2O2/Fe2物質(zhì)的量的比lectron shuttles in Fenton and photo- assisted Fenton oxidations為3.5:1,FeSO4·7H2O投加量為1.62mmol/L,of aromatic compound[ J]. Environ. Sci. 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