污泥基本特性及其与煤混烧的热重研究
污泥混燃特性及燃烧性能分析
污泥混燃特性及燃烧性能分析1 引言(Introduction)城市污水处理厂每天产生大量的污泥，其中水分高(达80%以上)、体积庞大、容易腐化发臭而导致其难处理. 随着市政污泥及工业污泥产量逐年递增，欧盟很多国家已经制定并实施了相关环境法令，严禁含有可生物降解有机物的污泥进行填埋，鼓励对其进行焚烧处理. 焚烧法是一种具有减量化、无害化、资源化及回收能源等优点的污泥处置技术，其处理方式包括单独焚烧和掺烧.不同来源污泥及其混合污泥的燃烧特性进行系统的研究.利用热重分析法可以获得不同来源污泥及其与煤等可燃质的混合燃烧特性与反应动力学参数. Font等(2001)指出具有不同理化性质的污泥其燃烧热重曲线差异较大; 温俊明等(2004)从污泥的TG-DTG曲线出发，得出了由3个独立的、连续的平行反应组成的动力学模型; 刘敬勇等(2014)研究表明不同类别污泥的燃烧特性与污水处理厂的工艺、污泥的种类及理化性质有很大关系; Liao和Ma(2010)发现污泥与煤的掺烧比例对其混合样的着火及燃烧特性有较大影响; 段锋等(2012)研究发现不同的市政污泥与煤的混合燃烧特性表现为污泥与煤共同作用的结果; 曾佳俊等(2015)发现在污泥燃烧过程中加入FeCl3/CaO后可以提高污泥的燃烧性能; 刘敬勇等(2009)发现碱土金属含量和类别对污泥的燃烧性能影响显著; Xiao等(2010)研究了不同氧含量对污泥与煤的混烧特性的影响. 目前的污泥混燃研究主要集中于污泥与煤或者与生物质混燃，而针对不同来源污泥相互间的混燃特性的文献报道不多.目前研究污泥燃烧动力学的方法大多直接假定焚烧为简单反应，如一级反应，通过预先设定反应机理模型进行数值拟合，或者对高低温分别进行拟合. 事实上污水污泥的热解、燃烧过程中，灰分、挥发分的成分都比较复杂. 挥发分的析出、氧气的扩散、化学反应速率随温度的变化，其燃烧过程不断从动力区向扩散区进行转换，而且，氧气向内部扩散与产物气体向外扩散又相互阻碍. 因此，简单的假设往往掩盖了反应过程复杂性和机理. 另外，中国城市污泥有机质及重金属含量具有区域性和时空性差异(郭广慧等，2014)，会导致不同来源污泥混合焚烧特性的变化，但不同种类及不同来源污泥的混燃热力学数据较为缺乏.针对上述问题，本文对广州市具有代表性的两个生活污水处理厂的脱水污泥(S1和S2)和两个工业污水处理厂的脱水污泥(印染污泥S3和造纸污泥S4)进行系统取样.通过热重分析，深入研究不同气氛、不同升温速率、不同比例混合污泥的燃烧特性，同时计算出各类污泥的综合烧燃特性指数，获得不同条件下各类污泥混燃的着火、燃尽、综合燃烧特性参数和混燃动力学模型，有助于进一步掌握各类污泥混燃过程，以期为污泥掺烧设备设计的优化、运行以及燃烧工况的组织提供指导.2 材料与方法2.1 实验装置实验采用德国耐弛公司STA409PC型综合热分析仪，获得试样热重曲线(TG)及微商热重曲线(DTG). 其中热天平精度: 1 μg; 最大试样量: 1000 mg; 温度范围: 室温~1400 ℃; 实验气氛升温速率范围: 0.1~30.0 ℃· min-1.2.2 实验条件样品粒度小于100目，按要求混合均匀后取样，升温速率为10、20、25、30 ℃· min-1; 试样质量:(10±0.5)mg，温度范围: 室温-1000 ℃; 实验气氛: 空气、N2、CO2、不同比例N2/O2混合气体; 载气流量: 100 mL · min-1.2.3 试样实验中所用的污泥取自广州市具有代表性的大型市政污水处理厂脱水污泥(S1)、广州市开发区某大型污水净化厂脱水污泥(S2)、东莞某印染厂脱水污泥(S3)、广州某造纸厂脱水污泥(S4). 4种污泥的来源情况见表 1，可见这4种污泥的来源在污水成分、处理工艺及规模等方面都有较大的区别.表1 污水处理厂基本情况及污泥来源在压滤污泥终端进行系统取样，取回后的样品放在阴凉通风处晾干后用粉碎机粉碎，粉碎后的污泥样品转移到玛瑙研钵中研磨至所有成分过100目筛，然后在恒温烘箱内于105 ℃干燥24 h. 实验所采用污泥的元素分析、工业分析见表 2. 实验主要以广州市具有代表性的大型生活污水处理厂脱水污泥(S1)为主体，掺烧其他3种含工业废水较多的污泥.表2 污泥样品的工业分析和元素分析3 结果与讨论3.1 不同来源污泥混合燃烧TG-DTG热重曲线分析3.1.1 单一污泥的TG-DTG热重曲线分析考察了升温速率为20 ℃· min-1，空气气氛下4种单一污泥的TG-DTG曲线(图 1). 由图1可见，污泥燃烧过程主要分为4个阶段，包括自由水和结合水析出、挥发分析出和燃烧、挥发分和固定碳燃尽、残留物燃烧和分解阶段，其中挥发分析出和燃烧控制整个燃烧过程(熊思江等，2011). 以市政污泥S1为例，第一阶段的温度范围是: 35~180 ℃，这是污泥中自由水和结合水析出的过程; 第二阶段从180~400 ℃为挥发分(有机物)的析出和燃烧，主要是有机物的挥发与燃烧，是燃烧过程主要控制阶段，这一阶段中最大的燃烧速率出现在288 ℃左右; 400~650 ℃是挥发分和固定碳的燃尽，主要是未燃尽的有机物的碳化和固定碳的燃烧; 最后一阶段650 ℃至最后是残留物的燃烧和分解，主要是无机盐类的析出和分解(高鑫等，2015). 从TG曲线看，S1与其他3种污泥相比，S1的最大失重率最小，污泥焚烧减量化最差，而S2减量化性能最好. 两个市政污泥燃尽性能差别较大，可能与污泥成分有关. DTG曲线中4种污泥挥发分的析出和燃烧峰出现的时间基本相同，说明两种污水污泥的挥发分成分相似，另外S2、S4的挥发分析出速率比S1、S3要大的多，这可能与S2、S4挥发分含量较高有关. 污泥S2的挥发分2燃烧峰出现的最早，速率最大，而S1、S3、S4的析出时间基本相同，最大析出速率顺序为S2>S1>S3>S4，说明污泥S2的有机物易碳化，有机物挥发燃烧比其他3个样品快. S4在800 ℃左右还有一个比较明显的挥发峰，可能与S4中含有较多的碳酸盐类有关，在800 ℃的时候碳酸盐分解挥发. S3和S4两种工业污泥差别比较大，原因是两种不同污水来源和处理工艺的不同，使得污泥的理化性质有较大差异(肖本益和刘俊新，2008).3.1.2 不同来源污泥混燃的TG-DTG热重曲线分析重点考察了广州具有代表性的市政污泥S1与其他3类不同来源污泥的混燃情况(图 2). S1与污泥 S2混燃的TG-DTG见图 2a和图 2b，可以看到不同比例的混合曲线基本位于两条单一样品污泥曲线之间，并且混合曲线随着S1混合比例增加，渐渐趋向于S1，两个单一污泥DTG曲线挥发峰在混合污泥中都有体现. S1燃烧挥发峰小，燃烧性能差，并且随着S1混合比例增加，混合燃烧性能也变差. TG曲线中污泥S1混合比例分别为80%、90%时，其最大失重率小于单一污泥S1，这可能是由于S1及S2同为市政污泥其理化性质相差较小，存在的交互作用较弱.图2 污泥S1分别与S2、S3、S4混合燃烧的TG-DTG曲线市政污泥S1与印染污泥S3混合燃烧见图 2c和2d. 两个单一污泥燃烧TG曲线都位于混合曲线下方，污泥混合后反应向高温区移动，反应时间滞后，其中S1与S3混合燃烧总失重率都小于S1和S3燃烧的失重率，表明混合燃烧没有提高污泥的燃尽性能. 对比DTG曲线可见，混合后的DTG曲线形状相似，第二个峰最大失重速率为0.46 mg · min-1，最大失重率比较接近，都大于单一污泥的燃烧速率，证明两类污泥存在强烈的交互作用，对混合污泥燃烧影响较大. 市政污泥S1与工业污泥S3物化性质差异较大，S3的加入可以与S1产生交互作用并促进混合污泥的燃烧，并且燃烧形成了一些难以分解和挥发的物质，这从TG曲线最大失重率减少，可以得到证实.对比TG-DTG曲线，市政污泥S1与造纸污泥S4混合的燃烧曲线(见图 2e和2f)都在两个单一曲线之间，4条混合污泥的曲线相互之间都很接近，两种污泥的单一挥发峰都在混合曲线中有所体现. 在DTG最大峰值右边有明显的波动，挥发峰出现时间先后不一样，与两种污泥区别性质差异大有关; 相似的规律同样出现在有机物燃尽和固定碳燃烧峰. 对比S1单独燃烧，S4和混合试样在800 ℃左右出现明显的无机盐类析出峰，随着S1比例增大，明显变小，可能是由于引起该峰的主要是S4样品，随着混合样品中S4的比例变少，样品中可挥发物质减少. 不同种类污泥混合燃烧，不同种类的污泥影响差异很大，相互之间影响大小与污泥的种类有很大关系(杨琳和冉景煜，2010).为了更好说明各混合污泥的交互作用，本论文利用混煤燃烧交互作用算法(马国伟等，2013)计算了污水污泥S1混合其他3类污泥的交互作用，求解结果见图 3. 由图 3可知，S1分别与S2和S4混合燃烧的交互作用相对较小，S1与S3混合燃烧交互作用较强，这表明实验值与计算值曲线离异程度越大，则表明交互作用越强，这与前述结果一致.图3 不同类污泥混燃交互作用求解示意图3.1.3 不同气氛对污泥燃烧的影响分别在单一气氛N2、CO2及不同O2含量N2/O2条件下，对市政污泥S1进行热重实验(见图 4). 污泥S1热解曲线(N2与CO2气氛)在挥发分析出这一段基本是重合的，从DTG曲线可以看到在CO2条件下燃烧速率相对高一些，总的失重率基本没有变化，表明其热解过程虽然基本相似，但CO2气氛更有利于污泥的热解; 800 ℃后CO2还有一个比较明显的失重峰，分析可能是有机物炭化后的未燃烧的固定碳在高温条件下，被CO2氧化为一氧化碳变为气体挥发出来. O2含量分别为30%和50%气氛条件下的TG-DTG曲线见图 5. 随着O2浓度的升高，TG曲线向低温区移动; 同时，DTG 峰值更大，燃烧速率更快. 可见，氧浓度越高，反应进行得越快，有机物分解得越快，有利于反应的进行.图4 污泥S1分别在N2和CO2气氛下TG-DTG曲线图5 污泥S1在不同O2浓度下TG-DTG曲线3.1.4 不同升温速率对污泥燃烧的影响市政污泥S1在空气条件下、升温速率ф分别为10、20、25、30 ℃· min-1的TG-DTG曲线见图 6. 随升温速率从10、20、25、30℃· min-1升至25℃· min-1时，TG曲线向高温区移动，升温速率小的反应比较充分，挥发分析出的温度更高，但最大失重率随着温度升高而减小. 从DTG曲线可以看到随着升温速率ф的增大，DTG曲线向高温区移动，峰值增大，燃烧区间变宽，燃烧失重速率变大，燃烧更剧烈. 可见，升温速率越高，反应进行得越快，挥发分析出越快. 但是污泥中有机质分解和燃烧需要一定时间，当升温速率增加时，影响到试样之间和试样内外层之间的传热温差和温度梯度，部分产物来不及挥发而产生滞后现象，从而导致污泥整体热滞后现象的加重，致使曲线向高温一侧移动，部分可燃质需在更高的温度下逸出. 由于随着升温速率增大，TG曲线移动的距离越来越小，可见污泥焚烧存在一个最佳的升温速率，这与挥发分析出特性指数单调递增及增加速度减慢也是一致的.图6 不同升温速率下污泥S1的TG-DTG曲线3.2 不同来源污泥燃烧的综合评价3.2.1 挥发分释放特性指数在燃料燃烧过程中，挥发分的析出直接影响燃烧的着火温度. 文中采用挥发分释放特性指数D(陈建原和孙学信，1987)对试样燃烧挥发分析出情况进行描述:式中，(dw/dt)max为最大燃烧速率，也就是挥发分最大释放速度峰值(mg · min-1); Tmax 为峰值温度，K，也就是DTG曲线上最大燃烧速率(dw/dt)max对应的温度; Ti为着火温度，即着火点对应温度(K)，利用TG-DTG切线法求解，Ti越小，表明污泥中挥发分越易析出; ΔT1/2为(dw/dt)/(dw/dt)max = 1/2对应的温度区间(半峰宽度)，ΔT1/2对应的温度区间越小，表明挥发分释放越快越集中，燃烧容易在较低温度下进行(K); D越大，试样的挥发析出特性越好，燃烧反应越易进行，越有利于污泥的燃烧(mg · K-3 · min-1). 污泥热解参数同样参照上述方法计算.由表 3可以看出，污泥的挥发分释放特性指数在0.65×10-8~5.05×10-8 mg · K-3 · min-1之间，小于煤的挥发分释放特性指数(聂其红等，2001)，其中随着升温速率的提高，沥滘污泥S1的着火点变高，要在更加高的温度下才可以着火，相反的污泥的挥发分析出越来越好，挥发分特性指数单调递增. 4种不同来源污泥的着火点S1最低，但挥发特性指数最小，S1容易着火燃烧，但挥发性能不佳; 污泥S2最大挥发速率最高，含挥发分最多; 印染污泥S3的挥发分释放特性指数最高，燃烧性能最好. 考察混合污泥燃烧发现，S1与S2混合燃烧时，着火点和最大失重速率相似，并没有随着比例改变发生较大的改变，挥发分释放特性指数波动性变化，说明这两种污泥混燃时的交互作用受混合比例的影响较大. 污泥S1与工业污泥S3混合燃烧的挥发分释放特性指数随着S1混合比例的增大而增大，这是由于S1的着火点较低，挥发性差，混合燃烧的交互作用随着S1含量增大而增大. S1与S4混合燃烧着火点随着S1比例增大而降低，与S3相反挥发特性指数D随着S1比例增大而减小，挥发特性指数向S1靠近，挥发性能下降; S1混合不同污泥，挥发特性影响差异较大，证明不同类型的混合污泥挥发性能并不一样以混合比例为5:5考虑，污泥S1混合污泥S2后其挥发特性最好.表3 不同来源污泥混合燃烧的挥发分释放特性指数3.2.2 燃尽指数本文将试样失重占总失重的98%时对应的温度定义为燃尽温度Th.燃尽特性是表征可燃物燃烧性能的一个重要指标，用燃尽指数Cb(聂其红等，2001)来描述工业污泥的燃尽特性，可定义如下:式中，f1为TG曲线上着火点对应的试样失重量与试样中可燃质含量的比值; 将试样燃烧失重从开始到燃烧98%可燃质的时间定义为燃尽时间τ0，τ0时刻所对应的试样失重量与试样中可燃质含量的比值定义为总燃尽率f，则后期燃尽率f2=f-f1. 其中，f1反映了挥发分相对含量、污泥着火特性的影响，f1越大，污泥可燃性越佳; f2反映了污泥中碳的燃尽性能，与含碳量、碳的存在形态等特性有关，f2越大，污泥的燃尽性能越佳. 由表 4可见污泥S1的燃尽指数随着升温速率提高而降低，不利于污泥减量化，同时初期燃尽率f1上升，有利于污泥燃烧. 不同来源污泥燃尽指数排序为S1>S3>S2>S4，初期燃尽率f1排序为S3>S1>S2>S4，说明S3可燃性最好，S1的燃尽特性最好. S1与其他3种污泥混燃的初期燃尽率f1基本都是随着S1添加比例提高而增大，可燃性变好，同样燃尽指数变大，燃尽性能越好. 混合比例为5/5的混合污泥的燃尽指数大小依次为S1+S2>S1+S3>S1+S4，说明市政污泥S1与污泥S2混燃的可燃性与燃尽参数最佳.表4 不同来源污泥混合燃烧的燃尽指数3.2.3 可燃性指数为全面评价污泥的燃烧稳定性情况，采用可燃性指数C(胡勤海等，2008;)来表征试样的整体燃烧特性.式中，Ti为着火温度(着火点温度)(K);(dw/dT)max 为最大燃烧速率; C越大表明试样的燃烧着火稳定性能越好. 如表 5所示，市政污泥S1随着升温速率提高，可燃性指数增大，燃烧越稳定; 单一污泥燃烧稳定性顺序为: S4>S1>S2>S3，造纸S4燃烧最稳定. S1与S2混合的样品，燃烧稳定性随着S1含量增大而变差; S1与S3混合的样品，燃烧稳定性随着S1含量增大而变好. 不同种类污泥混烧的稳定性并不一样，污泥S1与污泥S2混合可燃性指数最高，燃烧最稳定，而造纸污泥及印染污泥燃烧性能较差. 由于污泥焚烧炉必须要考虑进料及其燃烧的稳定性，而不同来源污泥混燃其稳定性差异较大，因此考虑不同种类污泥混烧对焚烧炉的设计有重要意义.3.2.4 综合燃烧特性指数为全面评价试样的燃烧情况，采用综合燃烧特性指数S(胡勤海等，2008;沈伯雄等，2000)来表征试样的整体燃烧特性:式中，(dw/dτ)max为最大燃烧速率(mg · min-1);(dw/dτ)mean为平均燃烧速率(mg · min-1)，其值越大，表明燃尽越快; Th燃尽温度试样失重占总失重98%时对应的温度(K). 综合燃烧特性指数S全面反映了试样的着火和燃尽性能(mg2 · K-3 · min-2)，S越大说明试样的综合燃烧性能越佳.由表 5可见，随着升温速率提高，平均燃烧速率和综合燃烧指数S单调递增，4种单一污泥综合燃烧指数S排序为: S2>S4>S1>S3，说明S2的综合燃烧性能最好. 以混合比例9/1为例，混合污泥的S排序为S1+S2>S1+S4>S1+S3，两种市政污泥S1与S2混合燃烧效果最好. 当S1污泥中添加造纸污泥S4后，混合样的综合燃烧特性指数高于S1单独样，而掺烧S3结果相反，可见焚烧过程中不同类型的污泥混合后，其S差别较大. 向S1污泥中添加其他类污泥时，以S4为例，随着S1含量增加反而降低其燃烧性能，可能是因为两者含量慢慢接近时，交互作用增强，有利于燃烧的进行. 因此，不同种类污泥混燃的比例也是焚烧的重要考虑因素.表5 不同来源污泥混合燃烧的可燃性指数与综合燃烧特性指数3.3 污泥混燃动力学模型每个试样的燃烧实验可以认为是一系列挥发分释放、燃烧的综合行为，它们的活化能符合以下动力学方程(陈镜泓和李传儒，1985):式中，α为热解转化率，%，E活化能(J · mol-1); A为频率因子(min-1)，R为气体常数，8.314 J · mol-1 · K-1，T为反应温度，f(x)为与燃烧机理相关的函数. 经过整理得到:式中，ф为升温速率(℃· min-1)，ф=dT/dt.令，对于本实验中反应温区及大部分E值而言，的值近似看做常数，令b=- E/R，X= 1/T，Y=(n=1)，Y=(n≠1). 则有，Y= +bX.以不同的反应级数n带入试探求解，并进行线性拟合，数据的拟合线性越好，则反应机理函数选择越恰当，由直线的斜率可求得活化能E.假设混合试样等由3部分物质(即挥发分1、挥发分2和固定碳)组成，从污泥及其混合物燃烧的宏观动力学角度，把失重过程的3个阶段与3个相互独立的、连续的、平行反应相对应，各部分物质在升温过程中单独进行反应(温俊明等，2004). 在实验数据的处理过程中发现，无论是单步反应还是多步反应，在每步反应中，DTG峰值两侧的反应机理一般不可能相同. 本研究中将试样DTG曲线中燃烧速率较大的挥发分1、挥发分2及固定碳失重峰峰值前后采用不同的燃烧机理模型来描述. 在升温速率为20 ℃· min-1，空气条件下以S1样品第一挥发峰峰后为例拟合，分别在不同的反应机理下将峰前峰后横、纵坐标数据代入，并进行线性拟合(n分别取0.5、1、1.5、2)，以可决系数R2最大来确定反应曲线方程和活化能E，其燃烧动力学方程图解和动力学参数图解见图 7、图 8图7 S1污泥第1析出峰燃烧动力学方程图解图8 S1污泥第1析出峰燃烧动力学方程拟合曲线在燃烧动力学参数中，活化能E是一个非常重要的参数，它代表反应物的分子由初始稳定状态变为活化分子所需要吸收的能量，活化能比着火点更能从本质上描述试样的着火性能. 按照上述方法可得，每个样品的峰前、峰后反应级数都不一样，各自的反应动力学差异较大. 各阶段拟合方程的可决系数在0.8469～0.9999之间，线性比较好，说明最终确定的各个试样的反应级数比较合理，动力学参数的求解结果见表 6. 由表 6可知，试样在燃烧峰前的活化能通常比燃烧峰后的活化能小，燃烧反应峰前通常是反应由易变难的过程，而峰后则是反应由易变难的过程.同时低温段的活化能也比高温段的活化能小，这与污泥难挥发有机物在高温燃烧结果是一致的.表6 污泥燃烧时的动力学参数本文同时采用(Cumming，1984)提出的质量平均表观活化能Em的概念和计算方法计算燃烧反应总体的表观活化能，Em的定义如下:式中，E1～En为各反应区段的表观活化能; F1～Fn为各反应区段的燃烧质量损失份额.对比不同升温速率污泥S1表观活化能，随着升温速率提高，表观活化能也减小，这与污泥TG-DTG 曲线向高温区移动是一致的. 从单一污泥的燃烧所得的活化能可以看出，印染污泥S3燃烧过程的质量平均表观活化能Em最小，污泥S1的质量平均表观活化能Em最大. 对于混合试样的燃烧来说，S1与其他3种污泥混燃的活化能均有所下降，活化能减少，燃烧更加容易进行. S1与S2混烧时，随着S1含量的增加，其混合样活化能逐渐减少，这与S1和S2之间产生的交互作用有关. 相反的是S1与S4混燃后，混合样平均活化能有所增加，燃烧进行缓慢，可能是S1所需活化能高、相互之间的交互作用很弱的缘故.具体参见污水宝商城资料或 更多相关技术文档。
福建无烟煤和木业污泥混合燃烧特性分析
式将 生物质 能 向热 能 的转化 ，实现污泥 的减量化 和资源化 … 。 在“ 稳定省 内 自给能力 ， 合理利用省外资源 ” 的煤 炭能源 发展 战略下 ，为 分析福建 无烟煤和 典
勘探 和开发 的重 点地 区，其 中龙岩 无烟煤 保有可 采储量高达 ２ ２ ６ ５万吨 。
收稿 日期：２ ０ １ ７ — ０ ３ — ２ ８
取 １ ． １ 所 述样 品 分别进 行元 素分 析和 工业 分
２燃 料 分析
１ 材 料 和 方 法
１ ． １实验 材料
根据 福 建省煤 炭分 布和煤 质情 况 ，项 目研 究
析平 行实验 ，分析数据如 表 １ 所 示。
表 １ 样 品 元素 分 析 和工 业 分 析
煤种 为龙 岩、天 湖 山、大 田等 地 区无烟煤 。从 行 业和 污泥特 性角 度考虑 ，典型 污泥选 择福 州市某 厂木业污泥 。 上述木业厂家是利用 山林场剩余物 ， 生产 高档 中纤板 的企业 ，其污 泥 中除含有大 量水 分外 ，也还有 一定 量 的木屑和 纤维板 材 。实验用 煤样 和 污泥 样 品经 磨制 筛 分后 ，粒径 ＜ ２ ｍ ｍ 。 实 由表 １ 数据 可知 ，福 建 无烟煤 具 有挥发 分极
摘要 ：燃 料 分 析 检 测 结 果 表 明 ，福 建 无 烟 煤 具 有 挥 发 分 低 、 热 值 高 等 特 性 ，木 业 污 泥 具 有 挥 发分 高 、着 火
温度 较低 等特 性 ；在 贫 氧 条 件 下 ，三 种 无 烟 煤 都 较 难 燃 烬 ，木 业 污 泥 燃 烧 性 能 受 到 影 响 ；在 空气 燃 烧 氛 围 条件 下 ， 三 种 无 烟 煤 和 木 业 污 泥 燃 烧 性 能 得 到 改 善 ，龙 岩 无 烟 煤 和 木 业 污 泥 掺 烧 比例 确 定为 ５ ０ ％ ；较 低 的 升温 速 率 有 利 于 燃 料 受 热 的 均匀 性 ，有 利 于 燃 料 的 分 解 燃 烧 。 关键词 ：福 建 无 烟 煤 ； 木业 污 泥 ；燃 烧 ；热 重 分 析
污泥与煤在循环流化床内混烧的试验研究的开题报告
污泥与煤在循环流化床内混烧的试验研究的开题报告一、研究背景与意义：煤是我国重要的能源资源，而污泥则是一种常见的固体废弃物。
由于污泥的长期堆放和处理方式的不当，不仅会占用大量土地资源，还会对环境造成严重污染，对周围居民的健康和生活质量产生不良影响。
加之各大城市污泥产生量的不断增加，如何有效地处理污泥成为了亟待解决的问题。
循环流化床燃烧技术是一种能够同时处理多种固体废弃物的高效、节能、环保的燃烧技术。
该技术可以在较低的燃烧温度下，将固体废弃物中的有机物质发生氧化反应，产生高温烟气和灰渣，使得固体废弃物得到有效处理。
同时该技术可以在既有的燃烧设备里加装而并不需要额外的空间，成为固体废弃物综合处理的重要手段。
近年来，混烧污泥与煤已成为了一种有效处理污泥的途径，不仅能够实现双方的协同利用，还可以提高燃烧的效率和降低能源消耗。
煤可以作为一种稳定的基准燃料，在循环流化床中起到调节燃烧参数和提高燃烧稳定性的作用；而污泥中的有机物质则可以通过混烧的方式得到有效处理，避免对环境造成污染。
因此，本文旨在研究污泥与煤在循环流化床内混烧的可行性与优化策略，以期为污泥的有效处理和燃烧技术的优化提供科学依据和实践经验。
二、研究内容与方法：本文将通过对污泥与煤在循环流化床内混烧过程中产生的热力学、动力学、气体动力学和化学反应等方面的分析，探究的混烧过程中的物质转化过程、热效率、NOx、SOx等污染物的排放情况，并对混烧过程中的关键参数进行优化控制。
具体研究方法如下：1.分析污泥与煤燃烧特性：通过对污泥和煤的基本性质和燃烧特性进行分析，探究其燃烧过程中与循环流化床有关的关键参数。
2.构建循环流化床混烧试验装置：设计和制造数控加工中心切割设备和比例阀、液压气动驱动阀门，构建一个能够模拟循环流化床内混烧过程的试验装置。
3.进行混烧试验：在试验装置中，通过调节进风流量、过剩空气系数、燃料配比等参数，对污泥与煤进行混烧试验，并对试验数据进行实时监测和分析。
煤粉炉掺烧城市污泥燃烧特性分析
煤粉炉掺烧城市污泥燃烧特性分析随着城镇化的发展和人们生活水平的提高,近年来城市污水的排放量呈现出不断递增的趋势。
在污水处理的过程中,不可避免的产生了大量的污染物携带体—污泥。
污泥是一种含有各种有机物以及无机物的絮状物质,经过半干化后的污泥热值与褐煤相当,可以作为辅助燃料,混掺到煤粉炉内进行燃烧发电,但是与此同时污泥内含有大量的有毒有害物质,如果处理不当则容易造成二次污染,给环境和人类的生存带来很大的威胁。
本文针对我国燃煤电站协同处置污泥还不够成熟的现实状况,开展了以下研究:采用热重分析法,分析了不同粒径、不同升温速率下污泥的热重曲线,并进行了燃烧特性参数和动力特性参数求解。
在此基础上将污泥和煤以不同比例掺烧,研究了二者的混燃特性。
结果表明:较大的升温速率以及较小的粒径有利于污泥的燃烧;混烧特性表现为污泥和煤样共同作用的结果,当掺烧比例小于10%时,可燃性指数、稳燃性指数和综合燃烧特性指数变化较小,但是当掺混比例达到10%以后,各个燃烧性能参数均大幅下降,影响燃烧。
采用Fluent软件,对某台330MW四角切圆煤粉炉掺烧城市污泥进行了数值模拟,分析了炉内速度场、温度场以及氮氧化物的排放情况。
结果表明:含水率40%的污泥与煤混烧后对煤粉炉炉内的气流流动影响不大;且当掺烧比例小于20%时,对炉内温度以及氮氧化物(NO_x)浓度的排放量影响也较小。
但是当掺混比达到20%以后,燃烧区域的平均温度和最高温度均大幅度下降,影响燃烧,且由于燃料型NO_x的大量生成,使得NO_x浓度的总排放量也大幅增加。
以某污水处理厂每天产生的污泥为例,计算了污泥与煤掺烧后的经济性,结果表明:9吨污泥经过干燥掺烧后可以获得收益722元,因此掺烧城市污泥不仅可以清洁环境,而且可以带来一定的经济效益。
通过本文对煤与城市污泥的混烧特性的研究,期望能为污泥掺烧技术的发展提供一些科学参考数据。
污泥混煤燃烧热解特性及其灰渣熔融性实验研究
污泥混煤燃烧热解特性及其灰渣熔融性实验研究污泥混煤燃烧热解特性及其灰渣熔融性实验研究污泥混煤燃烧热解技术作为一种有效的能源综合利用途径，因其可减少环境污染、有效回收资源而备受研究者们的关注。
为了更好地了解污泥混煤燃烧热解过程中的特性，本研究通过实验研究污泥混煤燃烧热解特性及其灰渣熔融性。
首先，我们搜集了大量的污泥和煤样本，并对其进行了物理化学特性的分析。
结果显示，污泥和煤样本中含有丰富的有机质和无机质，这为污泥混煤燃烧热解提供了可供利用的能源。
同时，通过对燃烧过程中的特性参数进行分析，我们发现污泥混煤燃烧热解能够有效地释放有机质中的能量，且生成的灰渣中还存在大量的无机质，可作为其他工业应用的原材料。
接着，我们设计了实验方案，利用实验装置对污泥混煤进行燃烧热解实验。
在实验过程中，我们控制了不同的燃烧温度和燃烧时间，以模拟实际运行情况。
通过对实验数据的分析，我们得出了如下结论：首先，燃烧温度对污泥混煤燃烧热解特性有显著影响。
随着燃烧温度的升高，污泥和煤样本中的有机质能够更充分地被燃烧，释放出更多的能量。
而燃烧温度过高则会导致热解产物中有机质的分解速率过快，使得有机质无法完全被燃烧，产生大量的污染物。
其次，不同的燃烧时间对污泥混煤燃烧热解特性也有影响。
随着燃烧时间的延长，燃烧过程中的有机质能够被更充分地燃烧，释放出更多的能量。
然而，在燃烧时间过长的情况下，燃烧过程中的烟气中会生成大量的污染物，这对环境造成较大的负荷。
最后，我们对产生的灰渣进行了分析。
结果显示，灰渣中含有大量的无机质，可以作为其他工业应用的原材料，如水泥生产、建筑材料等。
综上所述，污泥混煤燃烧热解技术具有较高的能源综合利用价值。
通过实验研究，我们深入了解了污泥混煤燃烧热解特性及其灰渣熔融性，为该技术在实际应用中的优化提供了理论基础。
然而，还需要进一步研究，以提高污泥混煤燃烧热解的效率和降低对环境的影响，促进能源的可持续发展综合实验数据分析，我们得出了以下结论：污泥混煤燃烧热解技术在实际应用中具有较高的能源综合利用价值。
污泥与煤和煤矸石共燃特性研究
２０ ０ ８年 １ Ｏ月
燃
料
化
学
学
报
Ｖｏ ． ６ Ｎｏ． １３ ５
Ｊ ｒ ａ ｆＦｕ ｌＣｈ ｍ ｉ￣ｙ ａ ｄ Ｔｅ ｈ ｌ ｙ ｏｕ ｎ ｌｏ ｅ ｅ ｓ ｎ ｃ ｎｏｏｇ
Ｏｃ ．２ ０ ｔ ０８
文 章 编 号 ： ２ ３２ ０ （０ ８ ０ —４ —６ ０ ５ — ９ ２ ０ ）５５ ５０ ４
ｈ ａ ｌｗ ｎ ｉｈ ｏ ｓ ｐ ｏｉｅ ｒ ｂ ａｎ ｄ．Ｔｈｅ ｒ ｓ ｌｓ ｎｄｃ ｔ ｈ ｔｔ ｅ ｅ ｔｆ ｏ ａ ｄ ｗｅｇ ｔｌ ｓ ｒ ｆｌｓ ａ ｅ ｏ ｔｉ ｅ ｅ ｕ ｔ ｉ ｉａｅ ｔａ ｈ ＤＴＧ Ｈ Ｖ Ｓ ｆ ｓｎ ｌ ｏ ｌ ａ ｄ ｃ ａ Ｃ Ｉ Ｅ ｏ ｉ ｇ ｅ ｃ ａ ｎ ｏ ｌ ｇ ｎ ｕ ｎ ｙ ｈ ｖ ｎｅｏ ｖｏ ｓｐ ａ ｆｍａ ｓｌ ｓ ａ ｇ ｅ ｏ ｌ ａ ｅ ｏ ｂ ｉｕ ｅ ｋ ｏ ｓ ｏ ｓ，ｂ ｔｔ ｅ ＤＴＧ ｕ ｖ ｆｓ ｗａ ｅ ｓｕ ｇ ｓｔ ｂ ｉ ｕ ｅ ｋ ｆｍａ ｓ ｕ ｈ ｃ ｒ ｅ ｏ ｅ ｇ ｌ ｄ ｅ ｈａ ｗｏ ｏ ｖｏ ｓｐ ａ ｓｏ ｓ ｌ ｓ ． Ａｌｏ， ｔｅ ｏｓ ｓ ｈ ＤＴＧ ｃ ｒ ｅ ｏ ｔ ｂｌｎ ｓ ｕ ｖ ｓ ｆ ｈｅ ｅ ｄ ｈａ ｅ ｗｏ ｖ ｔ ｐｅ ｋ ｏ ｍａ ｓ ｏ ｓ Ｉ ｉ ｆ ｕ ｄ ｈ ｔ ｈ ｔ ｍｐ ｒ ｔ ｒ ａｓ ｆ ｓ ｌ ｓ ． ｔ ｓ ｏ ｎ ｔ ａ ｔｅ ｅ ｅ ａ ｕ ｅ ｃ ｒｅ ｐ ｎ ｉ ｇ ｔ ｈ ｘｍｕ ｗｅｇ ｔｌ ｓ ａｅ ｐ ａ ｏ ｒ ｔ ｎ ｒ ａ ｉ ｇ ｔ ｅ ｐ ｏ ｏ ｏ ｆｃ ａ ｎ ｔ ｅ ｂ ｅ ｄ ．Ｔｈ ｏ ｒ ｓ ｏ ｄ ｎ ｏｔ ｅ ｍａ ｉ ｍ ｉ ｈ ｏ ｓｒ ｔ ｅ ｋ ｌｗｅ ｓｗｉｈ ｉ ｃ ｅ ｓｎ ｈ ｒ ｐ ￣ｉｎ ｏ ｏ ｌｉ ｈ ｌ ｎ ｓ ｅ
城市污泥与煤矸石混燃实验研究
增 加 ，城 市工 业 废 水 与 生 活 污 水 的 排 放 量 日益 增 石 混燃 能够 改 善 煤 矸 石 的 着 火 特性 。 多 ，根 据有 关 预 测 ，我 国城 市 污 水 量 在 未 来 几 年 还 会 有 较 大 增 长 ，２ ０ ２ ０年 污 水 排 放 量 将 达 到 ５ ３ ６ 污 泥 与 煤 混 烧 进 行 了研 究 。Ｎ ｏ ｗ ｉ ｃ ｋ ｉ等 研 究 ＿ 『 ×１ ０ ｉ ｎ ／ ｄ 。污 泥 作 为 城 市 污 水及 废 水 处 理 不 可 避 污 泥 的 热解 动 力 学 ；Ｏ ｔ ｅ ｒ ｏ Ｍ 等 利 用 热 重 分 析 仪 免 的副 产 品 ，必 然 会 随 着 污 水 处 理 量 的 增 加 而 增 对 掺 混 ２ ％ ，５ ％和 １ Ｏ ％ 比例 污 泥 的煤 进 行 了 实 验 ０ ％ 对 煤 燃 加 。污 泥 富 含 有 机 质 等 营 养 成 分 ，又 含 有 一 定 量 研 究 ；结 果 表 明 ，污 泥 掺 混 比例 低 于 １ 的重 金 属 、病 毒 、病 原 体 和寄 生 虫 卵 等 有 重 的 二 次 环 境 污 染 。 国 内外 煤 混 烧 进行 热 重 分 析 实 验 ，得 到 了 热 解 与 燃 烧 特
发 现 ，煤 、煤 矸 石 、污 泥 混 合 后 ，随 着 污 泥 比例 的增 加 ，混 合 燃 料 的着 火 温 度 有 所 降 低 。 本 文 选 取 唐 山市 城 市 污 泥 、煤 矸 石 和 它 们 之 间 ５种 不 同 掺 ？ 昆比 例 的 ７个 试 样 作 为 研 究 对 象 ，
第 ｌ ０期
王 雨 ，等 城市污泥与煤矸石混燃 实验研究
５ ５
煤与污泥掺混燃烧特性的研究
煤与污泥掺混燃烧特性的研究
目前,随着我国工业化加快和农村城镇化加速,污水处理量越来越大,污泥的产量也越来越大。
日益增长的污泥量危害着人类的居住环境,而居民环保意识逐渐提高。
如何污泥高效、科学的利用已成为我国亟待解决的问题。
焚烧法可以使污泥减容化、稳定化、无害化和资源化。
本文将三种污泥与煤混合燃烧,旨在研究污泥与煤的混合燃烧特性,为更好地开发推广污泥掺混燃烧技术。
本文通过选取三种取自河北省某市的城市污泥、印染污泥和造纸污泥,按照不同的配比与煤粉进行混合,并在20K/min升温速率、空气气氛下对混合样品进行一系列的热重燃烧实验。
依据燃烧实验所得的TG-DTG曲线,对污泥、煤的单独燃烧特性进行了分析,比较了煤种和不同污泥以及污泥之间单独燃烧特征温度和特征指数的异同,分析了污泥与煤单独燃烧特性的差异。
依据燃烧实验所得的TG-DTG曲线,对三种污泥分别与煤的混合燃烧特性进行了分析,比较了相同掺混比例不同种污泥与煤混合燃烧基本特性的差异,以及同种污泥不同掺混比与煤混合燃烧基本特性变化。
对实验数据进行动力学分析处理,采用Coats-Redfern积分法确定了燃烧过程中反应机理并划分温度区间并拟合整理出拟合方程,求出了反应动力学常数指前因子A、活化能E以及质量平均表观活化能Em。
从污泥与煤的混合燃烧试验可以得出,污泥与煤混合有利于燃烧,混合燃烧受掺混比影响较大并且存在一个燃烧最优的掺混比。
混合燃烧效果受污泥种类影响较大。
污泥与煤的混烧提高了纯煤和纯污泥的燃烧特性,为污泥与煤的混烧技术提供了理论基础,为深入研究污泥燃烧提供可
靠的参考数据。
市政污泥与烟煤的混合热解特性实验研究
０ 引 言
目前 污泥 的处 理 方 式 主要 有 填 埋 、 堆 肥 和 热 处
理等 ， 其 中填埋 和堆 肥 均 会 占用 大 量 的土 地 而 且 会
污 泥混合 热 解 的研 究 相 对 较 少 ， 两 种 燃 料 是否 具有 相 互影 响有 待进 一 步 研 究 ． 本 实 验 在 烟 煤 中掺 人 不 同 比例 的市 政 污 泥 ， 利 用 热重 分 析 法 分 别研 究 了它 们 单独 和混 合后 的热 解 特 性 ， 分 析 了烟 煤 中掺 人 污 泥 后对混 合 物热 解 的影 响 规 律 ， 以期 为 煤 与污 泥 的 混 合热解 提 供相应 的参考 ．
混对两者的热解过程都有催化作 用， 而 且 各 自最 大 催 化 作 用 时 的掺 比 量 也 不 相 同 ； 市 政 污 泥 与 烟 煤 混 合
物 的 热 解特 性 与 两 者 的混 合 比例 有 关 ． 关 键 词 市政 污 泥 ， 烟煤 ， 热 重 分析 ， 热 解特 性 ， 失 重 速 率 中 图分 类 号 Ｔ Ｑ５ ３ ０ ． ２
１ 实 验 部 分
１ ． １ 实验 条件 实 验采 用美 国 Ｔ Ａ 公 司生产 的 Ｔ Ｇ Ａ５ ｏ ０型 热重
混入 到 煤 中 ， 则 能够 改善 煤 的热解 特 性 ， 催 化 煤 的热 解 过程 ． 热 重分 析是 用 于研 究 固体 化 学 反 应 特 性 的重要 方法 ， 通过热重实验 的 Ｔ Ｇ． ＤＴＧ 曲线 分 析 ， 可 以得 到燃 料 的 燃 烧 或 热解 等特 性 参 数 ． 热重 分 析 广泛 应 用 于 固体 反应 特性 的研究 ． ［ ３ “ ］ 冉 景 煜等 ｌ ＿ ５ 采 用热 重 法进 行 了煤 矸 石 和工 业 污 泥 的热 解 、 燃 烧 特 性 与机 理研 究 ； 张文 丹 等＿ ６ ］ 对 烟煤 、 造 纸 污泥 及 两者 ｝ 昆 配 物 的热 解特 性 进行 了研 究 ； Ｂｉ ａ ｇ ｉ ｎ ｉ ｅ ｔ ａ ｌ 采用 热重 分 析仪 考察 了不 同煤 种 和一 种污 泥在 热解 过程 中的挥 发 失 重 行 为 ， 并 分 析 了热 解 动 力 学 数 据 ； 另 外， 相关 研究 表 明 ， 在煤 中加 入一 定量 的无 机 化 合物 可 以促 进煤 的热 解 过程 ［ ８ ］ ， 而污 泥 中恰恰 含有 大量 的 Ｋ， Ｎａ ， Ｍｇ ， ＡＩ ， Ｃ ａ和 Ｆ ｅ等 元 素 ． 目前 ， 对 于煤 和
城市生活污泥燃烧特性研究论文
城市生活污泥燃烧特性的研究摘要：本文利用量热仪、工业分析仪和元素分析仪，分析了不同含水率、有机物含量的污泥的燃烧特性，总结了污泥中的有机物含量与发热量、灰分、挥发分的关系。
结果表明：污泥的高位发热量不小于3000kcal/kg的临界条件为有机物含量不低于58%；污泥中的有机物含量在56.7%-60%区间是污泥热值上升的最快区间，其上升速率约为182（大卡/公斤）/百分点；污泥燃烧过程中产生的灰分为23%-56%，挥发分为25%-65%；污泥有机物含量与高位发热量的关系、含水率与低位发热量的关系、分别呈现出boltzmann函数、线性函数关系，而有机物含量与灰分和挥发分的关系均表现出e指数函数关系。
这些结果为污泥用于火力发电厂掺烧发电提供了基础依据。
关键字：污泥；燃烧；发热量；有机物；灰分；挥发分中图分类号：f291.1 文献标识码：a 文章编号：引言城市生活污泥是生活污水处理过程中产生的半固态废弃物，其物理、化学成分十分复杂，地区差异较大。
这些污泥中含有有毒、有害（二噁英）物质、病原菌、寄生虫（卵）等物质，大量的未经处理的生活污泥随意弃置对环境造成很严重的二次污染[1]。
然而，城市生活污泥中也含有丰富的有机物质，这使得污泥在一定含水率水平下保持着相当的可燃性能，至少具有一定的发热量，可作为一种品质较低的能源进行利用。
污泥的资源化途径很多，其核心是围绕污泥所固有的物质性质。
污泥作为火力发电厂的辅助燃料与煤炭掺烧进行发电是目前国内研究最为广泛的途径之一。
范海红等研究了污泥的燃烧过程，将其分为水分蒸发阶段、第一类有机物分解燃烧阶段以及第二类有机物分解燃烧和固定碳燃烧阶段[2]；李春雨，蒋旭光等[3]对制革、造纸和湖泊污泥的燃烧特性进行了研究，将污泥的燃烧过程分为挥发分燃烧和固定碳燃烧两个阶段，并对污泥的燃烧过程进行了动力学分析；谭雷，李辉等[4]则认为污泥的燃烧过程分为干燥、半挥发分析出、可降解挥发分析出、不可降解挥发分析出和焦炭燃尽五个阶段，并认为第三和第四阶段放热最多；新加坡南洋理工大学的dong ho lee、david tee liang[5]等利用流化床反应器进行了污泥燃烧特性的研究，总结了污泥燃烧品质、流化性能、以及产生的sox、nox的排放特性;日本国家工业科技研究所的takahiro murakami等[6]研发出了针对含水率为80%的湿污泥的燃烧设备和工艺方案，与传统方式相比可节省增补燃料25%，氮氧化物的排放可减少50%；德国汉堡哈堡工业大学的tom ogada，joachim werther[7]等人通过实验室和半中试规模流化床对脱水污泥的燃烧特性进行了研究，结果表明污泥中80%的碳为挥发性的碳，燃烧反应主要是气相反应；瑞典查尔莫斯大学的l.-e. åmand, b. leckner[8]等人利用流化床反应器研究了污泥与煤炭、木头混合燃烧过程中no、n2o的释放情况，研究表明当污泥与煤炭、木头的掺混比例不超过25%，不会对燃烧尾气造成影响。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
生物质与煤共燃技术徐向乾,路春美,张梦珠,巩志强山东大学,山东济南 250061[摘 要] 对农林业废弃物、下水道污泥等生物质与煤共燃技术在燃料制备、燃尽特性、热效率、污染物排放、积灰、腐蚀等方面进行了介绍。
这些生物质与煤共燃虽具有较高的积灰和腐蚀性,但其可降低CO 2、SO 2、NO x 的排放,环境效益显著。
[关 键 词] 生物质;废弃物;下水道污泥;共燃;污染物排放[中图分类号] X705[文献标识码] A[文章编号] 100223364(2008)0520050204收稿日期: 2007206211作者简介: 徐向乾(19822),男,山东泰安人,山东大学能动学院在读研究生,研读方向为燃烧与污染物控制。
E 2mail :mji 2mji456@ 大气中CO 2浓度的增加,会对全球气候产生一定的负面效应。
减轻CO 2排放问题的途径除了节能、提高能源利用效率外,采用可再生能源是一种更有效的方法。
可再生能源利用途径中,燃用农林业废弃物、下水道污泥进行热电生产是其中一种降低CO 2净排放的有效方法。
利用生物质和垃圾发电有两种方式,一是作为单一燃料使用小负荷生物质锅炉实现热电联产,二是利用现有煤粉炉实现煤与生物质的共燃。
前者需要建立很多分散的生物质电厂,并且生物质特性差别较大,必须为不同生物质设计不同的锅炉。
此外,生物质生产的季节需要大量的储存空间,导致成本增加。
后者是利用大型电站的煤粉炉、流化床锅炉进行与煤共燃发电,投资和运行成本较低。
在生物质与煤共燃发电站中,生物质的季节性波动和地域性波动、垃圾成分变化引起的影响,可以通过改变煤和生物质的比例进行补偿。
1 生物质燃料特性可供利用的生物质燃料包括:(1)农业废弃物的秸秆、稻壳等;(2)林业废弃物的薪柴、树皮、树叶等;(3)快速生长能源植物如芒、象草、芦竹、灌木、乔木等;(4)城市垃圾、有机废水;(5)下水道污泥。
(1)农林废弃物密度一般较低,如麦秆和稻壳的密度分别为(50～120)kg/m 3和122kg/m 3,而褐煤密度为(560～600)kg/m 3,烟煤为(800～900)kg/m 3。
这种生物质发热量较低,仅为煤发热量的1/2～1/3。
低密度、低发热量使得生物质废弃物的处理、运输和储存变得复杂。
污泥的性质与低品质煤的性质相似。
(2)生物质燃料工业及元素分析与煤的比较见表1。
生物质燃料挥发分较高,干燥基挥发分一般为60%～80%。
而且水分含量高,范围从小于10%到大于50%,受天气和处理过程等的影响较大。
生物质燃料固定碳一般在10%～20%之间。
污泥的固定碳含量较低。
生物质燃料的灰分比煤低,比如木材的干燥基灰分含量仅为0.2%。
但下水道污泥的灰分较高,其干燥基灰分约为30%～60%。
(3)生物质的硫含量较低。
木材、秸秆、能源植物等的干燥基硫含量一般低于0.15%,下水道污泥的硫含量较高。
农林废弃物与下水道污泥的氧含量都比较高,约为30%～45%。
农林废弃物的氮含量中等,但是下水道污泥的氮含量一般较高,约为6%～10%,相当一部分燃料氮以氨化物形式存在。
在污泥干燥过程中,其中一部分氨挥发掉.有些生物质的氯含量比较高,如麦秆、稻草等,约为0～0.6%。
表1 生物质工业和元素分析与煤的比较燃料工业分析元素分析M V FC A C H O N S棉秆 6.973.016.9 3.250.48.439.8 1.40.0豆秆 6.369.619.0 5.145.4 6.746.90.90.1木屑40.046.712.80.550.7 5.943.10.20.04下水道污泥 6.944.67.041.552 6.332.1 6.3 3.1烟煤7.534.053.6 4.988.0 6.0 4.0 1.20.8褐煤1341.221.324.448.9 3.211.7 1.40.5(4)农林废弃物含有较高的碱金属成分(K等)、碱土金属(Ca等),一般CaO含量为25%～60%,K2O为10%～35%,P2O5为4%～15%。
碱金属含量高容易导致锅炉受热面结渣和腐蚀。
污泥的金属含量比农林废弃物更高,污泥灰分中约含有10%左右的Fe2O3和20%左右的CaO,而且Zn、P、Hg、Cr、Pb、Cu、Co、Ni 均比煤高。
2 燃料制备生物质与煤共燃时需要单独的制备系统和给料装置。
对于稻壳、木屑、芦竹等纤维结构的生物质,在燃烧时需要切割和破碎。
由于在煤粉炉燃烧时有较长的停留时间,可以保证生物质的充分燃烧,秸秆长度最大可达200mm,木屑需磨成小于1mm的颗粒。
如果木材水分大于8%时,会影响制备系统的运行。
在流化床锅炉燃烧系统中,秸秆既不用磨制,也无需预先干燥。
下水道污泥与煤在可磨性上相近,可使用与煤相同的制备系统。
王雪[1]在污泥制备过程中发现污泥的水分低于30%时,对制备系统无影响;30%～50%时,制备系统会出现部分堵塞,短时间内可正常运行;超过50%时,制备系统出现异常,料仓内料部分被压结块,输送管出现严重堵塞。
煤粉与污泥颗粒粒径相同,制备系统问题较少。
3 农林废弃物与煤共燃3.1 煤粉炉在煤粉炉内,生物质与煤共燃点火比纯煤容易。
这是由于生物质的挥发分含量高,使得混合燃料的着火点降低,可以快速点燃。
生物质与煤共燃时,通常采取低温燃烧技术,炉膛火焰中心温度平均在1000℃～1200℃,可避免局部高温和结焦以及高温型NO x 的生成。
生物燃料的燃尽程度取决于燃料种类和掺入的生物质比例。
与芒等共燃时,当芒的热量输入超过总输入量的25%,过量空气系数小于1.1时,会导致燃尽率的下降,灰斗中焦炭量高,烟气中CO浓度较高。
当秸秆和芦竹的量超过25%时,CO排放与单独燃烧褐煤时相当。
当生物质颗粒尺寸足够小,并且充分干燥后,可以实现稳定的点火和燃尽。
生物质颗粒度对燃烧效率有微弱影响。
K icher2 er[2]通过500MW煤粉炉烟煤与秸秆的共燃研究发现,当粗颗粒(平均直径大于6mm)秸秆的输入量从0～40%时,燃尽效率从99.5%降到99.3%,而细颗粒(平均直径小于0.75mm)的效率则增长到99.9%。
另外,生物质高的反应活性、高的挥发分、大的比表面积等均可以改善煤的燃烧特性。
在污染物排放方面,燃烧器的喷射方式对NO x的形成有很大影响。
如果燃料通过燃烧器的中心管喷入,会进入过量空气系数较低的回流区,NO x排放较低,但若从燃烧器环形间隙喷入,则燃料在高过量空气条件下热解,导致燃料N向NO x转化的增加。
因此,氮含量高的燃料应从中心管喷入。
与纯煤燃烧相比,生物质与煤共燃采用空气分级燃烧,在总体富氧条件下即可实现低NO x排放。
另由于生物质含硫量较低以及生物质灰所具有的固硫作用,使SO2产物也随着生物质掺烧比例的增加而降低。
与氯含量较高的生物质(如稻草、芒类)共燃时,可能会因腐蚀加重而影响锅炉运行。
当掺烧热量占10%的秸秆时,锅炉的腐蚀速率比纯煤运行时增加,但并不影响运行。
在生物质掺烧比率较小的情况下,煤灰的性质占主导,与全燃煤时无明显差异。
如果生物质掺烧比例较大,由于生物质灰的熔点较低,未完全燃烧的秸秆颗粒可能造成结焦。
3.2 流化床流化床对燃料适应性强,可同时燃烧几种不同特性的燃料,燃料种类的选择和掺混比例比较灵活。
流化床可以采用分段燃烧和不分段燃烧。
在分段中引入燃尽风,可以使秸秆中的挥发分与空气充分混合,提高燃烧效率。
此外,也可以通过加长悬浮段高度(3～5) m,增加锅炉内反应物的停留时间,进一步提高燃尽效率。
流化床燃烧可以大大降低烟气中SO2的含量。
这是由于生物质燃料含硫量低以及生物质灰中的CaO、MgO具有一定的固硫能力。
另外,由于燃料中燃料氮含量较低,NO x排放总量也比煤粉炉有所降低,NO x可降至200mg/m3左右。
由于流化床燃烧温度较低(850℃～900℃),N2O 的排放浓度一般比其它燃烧方式高。
荷兰代尔福特大学的研究认为,加入生物质对N2O排放无影响,而王晶红[3]等人则认为,N2O会有微小的降低,并且与混合比例有关,生物质比例越大,削减程度越高。
刘德昌[4]认为,N2O降低的主要原因是由于随挥发分释放出来的燃料氮主要以N H3而不是HCN存在,而HCN是N2O形成的主要原因,并且随生物质量的增加,N H3呈线性增加,HCN则降低。
在生物质共燃烟气中,当氯含量较高生物质掺烧比例达到60%时,烟气中氯含量是单独燃用煤时的20倍。
污染物二恶英、呋喃浓度也随掺烧量增大而增大,这主要由于生物质氯含量和挥发分较高,以及煤灰中含有一定量的铜等所致。
在循环流化床锅炉中积灰呈非粘性,分析显示积灰中含有大量氯化钾。
Hansen[2]在80MW流化床锅炉中发现在对流通道中过热器腐蚀严重。
分析认为生物质K、Cl含量较高,Cl是引起过热器高温腐蚀的主要原因。
燃烧室上部和旋风区温度不能有效控制,是导致旋风区和对流通道严重积灰的主要原因。
4 下水道污泥与煤共燃4.1 煤粉炉在煤粉炉内共燃时,污泥须脱水,预先干燥。
污泥和煤粉可以预先混合通过煤粉燃烧器喷入或两种燃料单独从不同燃烧器喷入,炉膛温度可达1500℃～1600℃。
对于可燃用高水分燃料的锅炉,最多可以掺烧水分10%的污泥,而设计煤种为褐煤时,污泥水分最高可达40%～50%。
污泥掺入比例的范围通常在2%～20%之间。
由于污泥中氮含量较高,不分级燃烧条件下,NO x排放浓度较高,且排放水平随污泥掺烧比例的增加而增加。
在分级燃烧条件下,NO x减排效率可以达到70%～80%。
例如IVD University St utt2 gart D[5]进行的0.5MW煤粉炉共燃试验,采用不分级燃烧方式共燃50%的污泥时,NO x排放浓度为2800mg/m3;当低主燃区过量空气系数0.7～0.9、25%的共燃比例下,NO x可降低到350mg/m3。
另外,SO2排放比生物质共燃时低,一般燃料硫转化为SO2的比例为90%。
下水道污泥颗粒中的Zn、P、Cr、Pb、Cu、Co、Ni的含量比纯煤燃烧时高,但低于排放标准。
下水道污泥Hg以化合物形态存在,含量一般较高。
由于汞的沸点低,Hg的化合物易蒸发并与烟气混合排出。
但Hg 的化合物在高温下不稳定,在高于700℃会分解成元素Hg,元素Hg不易溶解。
因此,必须额外增加文丘里吸附器(与褐煤共燃)以吸收烟气中的Hg。
吸收器一般安装在静电除尘器之后,可以除去95%的Hg。
4.2 流化床下水道污泥与褐煤共燃时,燃烧和排放特性均很好。
Tadaaki Shimizu[7]发现污泥共燃时NO x排放量比单独燃用纯煤时要高很多,并且随运行时间的增长,排放浓度上升,而N2O浓度则有轻微降低。
由于污泥中活性钙是煤的2～3倍,且分布均匀,因而污泥的加入提高了混合燃料燃烧过程中的固硫能力,污泥加入的量越多,固硫能力越强。