城市污泥燃燒特性與動(dòng)力學(xué)研究

第44卷第6期鍋爐技術(shù)Vol. 44, No 62013年11月BOILER TECHNOLOGYNov.,2013城市污泥燃燒特性與動(dòng)力學(xué)研究趙改菊1,尹鳳交1,張宗宇1,盛成2,王成運1,李選友1(1.山東省科學(xué)院工業(yè)節能研究中心,山東濟南250103;2.深圳中廣核工程設計有限公司,廣東深圳518129)摘要:利用熱分析儀研究了升溫速率等試驗參數對城市污泥燃燒特性的影響,并通過(guò)改進(jìn)的 Coats-Redfern方法得出污泥燃燒過(guò)程中揮發(fā)分第一階段、第二階段以及焦炭段的最佳機理函數。結果表明:升溫速率對污泥燃燒特性影響較大,但水分和粒徑整體上對污泥燃燒特性影響不大;數值模擬結果與試驗結果具有良好的一致性關(guān)鍵詞:污泥;燃燒特性;動(dòng)力學(xué)中圖分類(lèi)號:X705文獻標識碼:B文章編號:1672-4763(2013)06007504實(shí)驗樣品取自光大水務(wù)(濟南)有限公司二0前言廠(chǎng),恒溫(105℃)干燥2h后,研磨、篩分得到不同城市污泥含有有毒有機物、病原微生物及重粒徑(80目、70目、40目和10目)的污泥樣品(除金屬,對生態(tài)環(huán)境和人類(lèi)活動(dòng)構成了嚴重的威實(shí)驗2.3外,均采用<80目的粒徑)。其工業(yè)分脅目前,污泥處理的方法主要有衛生填埋、析和元素分析見(jiàn)下表1。通過(guò)計算,用蒸餾水配焚燒、干化和熱處理、堆肥以及海洋傾倒等,其中比不同含水量的污泥樣品。采用北京恒久科學(xué)焚燒法具有穩定化、無(wú)害化、減量化和資源化的儀器廠(chǎng)JCR-2型差熱天平來(lái)分析試樣的燃燒優(yōu)點(diǎn),是一種發(fā)展前景廣闊的處置方法。與國外特性。相比,我國污泥焚燒所占比例份額明顯偏低,因此結合我國國情,為在環(huán)境、能源和經(jīng)濟問(wèn)題中表1污泥工業(yè)分析和元素分析表%項目數值尋找一個(gè)處置污泥最佳的平衡點(diǎn),污泥焚燒技術(shù)的研究十分必要污泥燃燒過(guò)程是伴隨溫度變化的一種失工業(yè)分析重過(guò)程,因此可以采用熱重法研究污泥宏觀(guān)燃燒特性以及反應速率3-4。目前國內外采用熱重法對污泥的熱解和燃燒機理及動(dòng)力學(xué)特4.67元素分析性進(jìn)行了一定研究5-9,但均在恒定升溫速率5.64和特定污泥直徑條件下進(jìn)行的研究。本文利0.44用熱分析儀研究了升溫速率、粒徑、水分等參數對城市污泥進(jìn)行了燃燒特性研究,并通過(guò)改2結果與分析進(jìn)的 Coats-Redfern方法對污泥燃燒揮發(fā)分析2.1污泥燃燒特性試驗出過(guò)程進(jìn)行細致分析,為更深入認識污泥的燃燒過(guò)程,進(jìn)而為污泥焚燒技術(shù)的發(fā)展提供理論在升溫速率為17.97K/min,終溫為850℃,依據?？諝鈿夥盏膶?shí)驗條件下,污泥的燃燒特性曲線(xiàn)如圖1所示。1實(shí)驗物料與方法中國煤化工CNMHG收稿日期:2013-02-01;修回日期:2013-06-22作者簡(jiǎn)介:趙改菊(1976-),女,博士,主要從事燃燒與污染物控制研究。鍋爐技術(shù)第44卷11.65K/min-v- DTA42024, 41 K/min30000001503004506007509002圖1污泥燃燒熱重曲線(xiàn)0150300450600750900從圖1可以看出,污泥燃燒可以分為4個(gè)階圖3升溫速率對單位時(shí)間失重率的影響規律段:(1)第一階段(室溫~150℃):自由水和部分結合水的蒸發(fā)階段。(2)第二階段(192℃~384還可以得出:隨著(zhù)升溫速率越高,污泥的著(zhù)℃)即第一個(gè)揮發(fā)分燃燒階段:揮發(fā)分析出的主火溫度越高;各階段的單位時(shí)間最大燃燒速率是要階段,DTA曲線(xiàn)為一個(gè)放熱峰該階段揮發(fā)分逐漸增大的;污泥第二個(gè)揮發(fā)分燃燒階段和焦炭燃燒十分劇烈。(3)第三階段(34℃~516℃)燃燒段的最大燃燒速率所對應的溫度是逐漸升即第二個(gè)揮發(fā)分燃燒階段:剩余的揮發(fā)分的釋高的;污泥的燃盡溫度也逐漸升高。放,該階段的最大失重率有所下降,對應的DTA隨著(zhù)升溫速率的增大,各個(gè)階段的燃燒特性放熱峰的面積也有所下降。(4)第四階段(680℃指數逐漸增大。左右):污泥中固定碳的燃燒階段,失重并不明2.3粒徑對污泥燃燒特性的影響規律顯,對應的DTA放熱峰的面積也相對較小圖4所示為不同粒徑的污泥燃燒單位溫度2.2升溫速率對污泥燃燒特性的影響規律失重率曲線(xiàn),可以得出,在第一個(gè)揮發(fā)分燃燒階污泥不同升溫速率下燃燒的單位溫度失重段,隨著(zhù)粒徑的增大,最大燃燒速率有所下降,這率和單位時(shí)間失重率變化曲線(xiàn)如圖2和圖3所是因為,在燃燒初始階段,隨著(zhù)污泥粒徑的減小,示,可以看出:隨著(zhù)升溫速率的升高DTG曲線(xiàn)向污泥的比表面積增大,能夠和氧氣更為充分的接右平移,產(chǎn)生熱滯后現象,且第3、4階段的熱滯階段的熱滯觸,從而燃燒更迅速。在第二個(gè)揮發(fā)分燃燒階后現象相比第2階段稍微明顯一些,在第一個(gè)揮段,隨著(zhù)粒徑的增大,最大燃燒速率有所增大。發(fā)分燃燒階段,最大單位溫度失重率逐漸減小,最大單位時(shí)間失重率有所增加,而在第二個(gè)揮發(fā)0.00440目分燃燒階段以及焦炭燃燒階段,最大單位溫度失10目重率基本不變,而最大單位時(shí)間失重率明顯0003增加。0.00211.65 K/min17.97 K/min0.0000.004-24.41 K/min5169 K/min0150300450600750900溫度FC000圖4粒徑對單位溫度失重率的影響規律0.000原因可能是污泥的揮發(fā)分的總量是一定的,第一個(gè)揮0.001中國煤化工率的增大燒0150300450600750900掉了較多CNMHG大燃燒速率的減小。在焦炭燃燒階段,粒徑大小對燃燒速率圖2升溫速率對單位溫度失重率的影響規律基本沒(méi)有影響第6期趙改菊,等:城市污泥燃燒特性與動(dòng)力學(xué)研究還可以得出,隨著(zhù)粒徑的增大,污泥著(zhù)火溫度泥的著(zhù)火溫度基本沒(méi)有變化,第二個(gè)揮發(fā)分燃燒逐漸升高,依次為234℃、249℃、285.7℃。這是階段最大燃燒速率對應的溫度基本不受水分的因為,隨著(zhù)粒徑的增大,污泥比表面積會(huì )相應的減影響。小,從而減小了污泥和空氣中氧氣接觸的機會(huì ),使燃燒變得困難,從而著(zhù)火溫度升高。隨著(zhù)粒徑的增大,燃盡溫度基本不變。污泥燃燒的燃燒特性0.005指數隨著(zhù)粒徑的增大,第一階段分別為2.382.16、1.84,第二階段分別為0.52、0.51、0.60。這個(gè)變化規律和污泥最大燃燒速率是一致的。24水分對污泥燃燒特性的影響規律圖5所示為含水率為78%的污泥和干污泥100200300400500600700的燃燒單位溫度失重率曲線(xiàn)?？梢缘贸?對于第個(gè)揮發(fā)分燃燒階段來(lái)說(shuō),濕污泥的最大燃燒速圖5水分對單位溫度失重率的影響規律率大于干污泥,這是因為隨著(zhù)污泥中的水分的蒸發(fā),導致污泥有著(zhù)更好的空隙結構,隨著(zhù)比表面3動(dòng)力學(xué)研究積的增加,揮發(fā)分向外擴散所受的阻力減小,從而使第一個(gè)揮發(fā)分燃燒階段的最大燃燒速率變采用 Coats- Redfern方法,擬合得出污泥燃大;第二個(gè)揮發(fā)分燃燒階段的最大燃燒速率沒(méi)有燒過(guò)程各個(gè)階段的機理函數及化學(xué)動(dòng)力學(xué)參數什么變化。由數據我們可以看出,濕污泥和干污如表2所示。表2污泥燃燒3階段化學(xué)動(dòng)力學(xué)參數階段溫度/℃機理函數活化能/(kJ·mol-)指前因子/(℃3·min2)-1揮發(fā)分11392-3842(1-0)+r(1-a)-+-1]1176.16.9×10揮發(fā)分(1-a)2.0×101焦炭592~7343(1-a)2/3/2[1-(1-a)1/)]5.3×1017其中,a為失重率一任一時(shí)刻污泥己失質(zhì)量與污泥初始時(shí)刻質(zhì)量的百分比。圖1所示,污泥燃燒揮發(fā)分第一階段與第二據處理后可以更加準確的預測污泥燃燒的宏觀(guān)階段DTG曲線(xiàn)有著(zhù)重疊的部分,這說(shuō)明實(shí)際上反應動(dòng)力學(xué)機理。按照上面改進(jìn)的方法,得到污上述方法分析的污泥第一階段的動(dòng)力學(xué)參數有泥揮發(fā)分2個(gè)階段的動(dòng)力學(xué)參數見(jiàn)表3。按照同失準確性,根據DTG曲線(xiàn)可以得到,污泥燃燒過(guò)樣的方法對試驗中的數據進(jìn)行線(xiàn)性最佳化擬合,程中揮發(fā)分2個(gè)階段的DTG應該接近對稱(chēng)的。結果發(fā)現對于揮發(fā)分第一階段,相關(guān)性最好的假設燃燒過(guò)程中揮發(fā)分的兩個(gè)階段失重對稱(chēng),對模型由Z一L一T擴散模型變成為二級簡(jiǎn)單反應,于揮發(fā)分第一階段的燃燒,研究燃燒峰的上升而揮發(fā)分第二階段,則由1.5級簡(jiǎn)單反應變成了沿,對于第二階段,研究燃燒峰的下降沿,這樣數三維擴散模型。表3污泥燃燒揮發(fā)分階段化學(xué)動(dòng)力學(xué)參數(改進(jìn)方法)直線(xiàn)方程機理函數活化能/(kJ·mol-1)指前因子/(℃3min2)-1揮發(fā)分-1(192~384)y=11322.0x+6.9715(1-a)94.11.2×107揮發(fā)分2384-516)y=16147.2x+6.73903(1-a)20/2[1-(1-a)/2]1.36×10中國煤化工根據式(1)和式(2)對應的化學(xué)動(dòng)力學(xué)參數下列兩式的數CNMHG↓雙比校,如圖6見(jiàn)表3),利用 MATLAB,用龍格一庫塔法求解所示鍋爐技術(shù)第44卷段略有不同,在第一個(gè)揮發(fā)分燃燒階段,濕污泥m:0-m;∞的最大燃燒速率大于干污泥,在第二個(gè)揮發(fā)分燃dg=∑a=∑ r: A, exp(-R7)f(a)(2燒階段,著(zhù)火溫度、最大燃燒速率及其對應溫度基本沒(méi)有變化;(4)通過(guò) Coats- Redfern方法,得出污泥燃試驗值模擬值燒過(guò)程中揮發(fā)分第一階段、第二階段以及焦炭段的最佳機理函數,且經(jīng)過(guò)數值模擬,模型與試驗結果具有良好的一致性。參考文獻[1]周旭紅,鄭衛星,祝堅,張云飛.污泥焚燒技術(shù)的研究進(jìn)展].能源環(huán)境保護.2008,2(4):5-8150200250300350400450500550[2]喬顯亮污泥的化學(xué)組成、土壤利用風(fēng)險和復合污染土壤修溫度AC復研究[D].南京:中國科學(xué)院南京土壤研究所,20033]劉淑靜.污泥燃燒與污染排放特性研究[D].大連:大連理工圖6污泥燃燒過(guò)程揮發(fā)分數值模擬大學(xué),2007由圖6可以看出,采用試驗數據分析得到的41胡榮祖,史啟熱分析動(dòng)力學(xué)[M]北京:科學(xué)出版最佳反應動(dòng)力學(xué)模型對污泥燃燒過(guò)程模擬效果[5]溫俊明,池涌,劉淵源,等,城市污水污泥的燃燒動(dòng)力學(xué)研究比較理想,污泥揮發(fā)分的2個(gè)階段都得到了良好.電站系統工程,2004,20(5):5-7.的重現。因此可以說(shuō),2組分平行反應模型對污[6]王裕明,胡建紅冉景煜等混合工業(yè)污泥燃燒及動(dòng)力學(xué)特泥的燃燒機理具有較好的適應性性實(shí)驗研究[].中國電機工程學(xué)報,2007,27(17):44-50[7]李培生,李潔,胡益,等.基于DTA方法的污泥與煤混合物燃4結語(yǔ)燒反應動(dòng)力學(xué)[].華中科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2008(1)升溫速率對污泥燃燒特性影響較大:當(8] Liao Yanfer, MaXiaogian. Thermogravimetric analysis of the升溫速率增加時(shí),污泥的著(zhù)火溫度、各階段的最co-combustion of coal and paper mill sludge [JJ. Applied大燃燒速率、燃盡溫度和燃燒特性指數均增加Energy,2010,87(11):3526-3532(2)粒徑的變化對污泥燃燒特性并沒(méi)有很大91 XiaoHanmin, Ma xiaoqian, Liu Kai Co-combustion kinetics的影響;of sewage sludge with coal and coal gangue under differentatmospheres[J]. Energy Conversion and Management, 2010(3)水分對污泥燃燒特性的影響在不同的階51(10):1976-1980Study on Combustion Characteristics and Kineticof municipal Sewage SludgeZHAO Gai-ju, YIN Feng-jiao, ZHANG Zong-yu'SHENG Cheng?, WANG Cheng-yun, LI Xuan-you'(1. Industrial Energy Conservation Research Center of Shandong Academy of Sciences, Jinan 250103, China2. Shenzhen China Guangdong Nuclear Power Engineering Design Co, Ltd, Shenzhen 518129, China)Abstract: Abstract: The influence of test parameters, such as heating rate, on municipalsewage sludge combustion characteristics were studied by thermal analyzer and this paper obtained best mechanism function of the first volatile combustion stage, the second volatilecombustion stage and the char combustion stage through Coats-Redfern method. The resultsshow that, heating rate has greater influence on the sludge中國煤化工s, but thecontent of water and the size of particle has little influenceCN MH Gwas fairlyagreed with experimental resultsKey words sludge; combustion; Kinetics