092.污泥在空气气氛下的燃烧特性研究
污泥燃烧与污染排放特性研究
污泥燃烧与污染排放特性研究随着我国经济的发展、城市化进程的加快以及污水处理率的提高，污泥的产量日益增加。
如何妥善、科学地处理产量巨大、成分复杂的污泥，已成为一项迫在眉睫的环保课题。
本文介绍了污泥焚烧，污泥处置最便捷的方法——污泥燃烧以及污染物排放标准。
标签：污泥燃烧;污染排放;特性;研究引言：我国城市废弃物环境管理的总体水平仍处于不断发展中，污泥处理与利用技术和管理的发展均相对滞后。
以城市污泥中环境影响最大的污水厂污泥而言，至今也没有一系列全面的技术标准问世，此领域相关的管理与技术发展不仅远落后于城市污水处理，即使与城市生活垃圾管理相比也有很大的差距。
一、污泥焚烧污泥焚烧是污泥处理的一种工艺。
它利用焚烧炉将脱水污泥加温干燥，再用高温氧化污泥中的有机物，使污泥成为少量灰烬。
污泥后处理的一种减量化、稳定化、无害化处理方法。
这种方法可将污泥中水分和有机质完全去除，并杀灭病原体。
污泥焚烧方法有完全燃烧法与不完全燃烧法两种。
1、完全燃烧法能将污泥中的水分和有机质全部去除，杀灭一切病原体，并能最大限度地降低污泥体积。
焚烧污泥的装置有多种型式，如竖式多级焚烧炉、转筒式焚烧炉、流化焚烧炉、喷雾焚烧炉。
目前使用较多的是竖式多级焚烧炉。
炉内沿垂直方向分4～12级，每级都装水平圆板作为多层炉床，炉床上方有能转动的搅拌叶片，每分钟转动0.5～4周。
污泥从炉上方投入，在上层床面上，经搅拌叶片搅动依次落到下一级床面上。
近年来发展了高温分解法，污泥在缺氧条件下，加热到370～870℃，有机物质遇热分解为气态物质、油状液态物质和残渣。
气态物质有甲烷、一氧化碳、二氧化碳和氢等，液态物质有乙酸化合物和甲醇类等，固态残渣最后成为含碳2～15%的灰分。
2、不完全燃烧法利用水中有机杂质在高压、高温下可被氧化的性质，在装置内的适宜条件下，去除污泥中有机物，通常又称湿式氧化、湿法燃烧。
这种方法除适用于处理含大量有机物的污泥外，也适用于处理高浓度的有机废水。
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。
城市污水污泥燃烧特性试验研究
城市污水污泥燃烧特性试验研究邱 天,张衍国,吴占松(清华大学,北京 100084)[摘 要] 对消化处理前后的2种城市污水污泥进行了工业分析、元素分析、焦粒的孔隙率测量和干燥污泥的热分析,并在日处理量为5t 的流化床实验台上进行了实际的焚烧试验。
通过焚烧,给出了污水污泥作为燃料的特性和流化床焚烧污泥时的床温分布,并分析了形成这种分布的成因。
研究结果可为处理污泥的大型循环流化床的设计和运行提供参考。
[关键词] 城市排放物;污水污泥;流化床;焚烧;热分析[中图分类号]T K16 [文献标识码]A [文章编号]10023364(2003)03001903 近年来,城市环境污染日趋严重,除车辆排放、工业污染外,还有固体废弃物污染,其中数量较大且不易处理的一种就是污泥污染[1]。
污泥中含有大量的病菌、重金属和多氯联苯等有害物质,而且还会放出恶臭气体,如果处理不当,危害性很大。
由于当前的城市生产、生活污水处理主要采用活性污泥法,因而不可避免地产生含水率高达80%以上的副产品污泥。
随着城市化进程加快及活性污泥水处理法的推广,污泥产量亦愈来愈大,致使污泥的消纳问题日益突出,亟待解决[2]。
迄今为止,处理污泥的方法主要有填埋、农用、焚烧等。
其中焚烧法因减容量大,并能可靠地消除污泥中大量的有害物质而日益受到重视。
1 实验系统及工况1.1 热态实验为了进行不同含水量污水污泥的焚烧试验,对经消化处理和机械化干燥后的原始污泥,通过日晒、风干等自然方式干燥。
不同水分含量的污泥通过控制日晒时间长短而获得。
试验所用的床料是燃煤流化床锅炉排渣中粒径小于5mm 的部分,辅助燃料为蔚县烟煤。
热态焚烧试验在循环流化床实验台上进行,该实验台的日处理量约为5t ,实验台结构见图1。
试验过程中对风量、给煤量、给料量、水量等几个参量进行控制,配有温度、压力、风量、冷却水量及烟气成分等参数的测量系统。
1-本体2-给煤料斗3-给煤螺旋输送机4-污泥料斗5-污泥螺旋输送机6-炉门7-风室8-排渣管9-旋风筒出口10-水平烟道11-分离器12-观察孔13-旋风筒立管14-料腿15-J 阀16-浮子流量计17-上级换热器18-下级换热器19-洗涤烟气入水管20-湿式除尘脱污器21-洗涤水槽图1 实验台构成1.2 污泥焦粒孔隙率的测量在热态试验即将结束时,向炉中给入少量的污泥,然后立即停炉,将炉中的床料和刚投入的污泥从排渣研究论文热力发电・2003(3)l ~ 管放出。
印染污泥热解和燃烧特性的对比实验研究
印染污泥热解和燃烧特性的对比实验研究董朝艳;钟英杰;邓凯;胡艳军;郑小艳【摘要】为了研究印染污泥热解和燃烧的特性,利用差热-热重分析实验,对印染污泥的热解与燃烧特性进行了热重研究,并考察了升温速率对热解和燃烧过程的影响,获得如下结果:印染污泥热解和燃烧的失重过程,都可分成四个阶段,但它们在250℃以后的失重特点有所不同:燃烧过程第三阶段存在较明显的固定碳燃烧,且由于前一阶段挥发分燃烧放热的作用,使部分失重提前;升温速率越高,会导致污泥的内外温差增大,从而使热解与燃烧过程中失重峰滞后.因此,印染污泥热解和燃烧过程的热重特性是彼此关联和有所不同的,对印染污泥的处置有重要影响.【期刊名称】《浙江工业大学学报》【年(卷),期】2014(042)002【总页数】5页(P147-151)【关键词】印染污泥;热解;燃烧;特性【作者】董朝艳;钟英杰;邓凯;胡艳军;郑小艳【作者单位】浙江工业大学热能与动力工程研究所脉动技术工程研究中心,浙江杭州310014;浙江工业大学热能与动力工程研究所脉动技术工程研究中心,浙江杭州310014;浙江工业大学热能与动力工程研究所脉动技术工程研究中心,浙江杭州310014;浙江工业大学热能与动力工程研究所脉动技术工程研究中心,浙江杭州310014;浙江工业大学热能与动力工程研究所脉动技术工程研究中心,浙江杭州310014【正文语种】中文【中图分类】X791印染废水占全国工业废水排放量的10%[1].经物化、生化处理后，1 000 t废水产脱水泥量为10 t(含水率96%)[2]，据此测算，全国600～700万吨/年.绝大多数的印染废水有机物含量大、浓度高，含有染料、浆料和助剂等，成分非常复杂.其中很多物质或者元素，例如：染料中的硝基和氨基化合物以及铜、铬、锌、砷等重金属元素，都属危险废物，生物毒性较强，易对环境造成严重污染[3-4].目前，国内外对印染污泥的处理技术，多数是参考城市污泥的处置方法[5]:填海、农用或土地利用[6]、焚烧等，没有比较成熟和完善的专门处理技术.城市污泥和印染污泥在成分组成、理化特性方面并不完全一样，随着科学技术的发展和污泥处置新技术的不断涌现，热解和干化焚烧技术作为印染污泥减量化、资源化研究的主要手段越来越受到重视，但是针对印染污泥热解与燃烧特性的热重数据尚有待补充和完善. 笔者对印染污泥的热解和燃烧过程进行了热重实验研究，分析比较了两个过程的特点，考察了升温速率对它们的影响，为深入研究适合印染污的处置方式做准备.1 材料与方法实验样品采自浙江杭州某印染厂，印染污泥干燥基的工业分析见表1(GB212—1991《煤的工业分析方法》).由表1可知:印染污泥的结合水质量分数为5.04%，固定碳和挥发分的总含量约占到印染污泥(干燥基)的57%，因其产生的平均低位热值为16 150 kJ/kg，满足联合国环境规划署(UNEP)规定：低位热值范围在3 350～7 118 kJ/kg的垃圾，适于焚烧处理.同时也满足2000年我国垃圾处理技术政策规定：平均低位热值大于5 000 kJ/kg的垃圾适于焚烧处理[7-8].因此，本次实验的印染污泥满足焚烧要求.另外，采用Flash EA 1112元素分析仪测得实验样品中C，H，N质量分数分别为40.96%，5.65%，0.84%，可知印染污泥的含氮量很少，故其燃烧后的燃料型NOx排放将较少，具有较好的燃烧价值.表1 印染污泥的工业分析(干燥基)Table 1 The industrial analysis data of sludge(dry base)水分W/%灰分AAD/%挥发分VAD/%固定碳FCAD/%热值Q/(MJ·kg-1)5.0438.5143.3313.4216.15用DHG-9070A型恒温电热鼓风干燥箱在105 ℃下对污泥干燥12 h，采用HP001型研磨机磨细干燥后的污泥样品，使其能全部通过60目标准筛，将处理好的样品置于采样袋和干燥皿中备用.实验中主要利用由法国Setaram公司制造的TG92型常压差热-热重分析仪对污泥进行热重分析，它采用的参比物是α-Al2O3，终温、保温时间以及升温速率都可以在仪器上设定.为了保证热天平在较低温度下完成测试，装置中利用冷水来调节温度，实验数据信号由热天平自动保存、记录，紧接着自动分析获得差热曲线(DTA)、热重曲线(TG)和微商热重曲线(DTG).2 实验结果与分析2.1 印染污泥的热解特性取上述污泥样品10 mg，在流量为80 mL/min，载气分别为高纯氮气或空气，升温速率保持为30 ℃/min以及终温恒定为700 ℃的条件下，利用差分-热重分析仪测得相关数据并处理后作出TG，DTG，DTA曲线，见图1，2.图1 典型反应条件下印染污泥的热解特性曲线Fig.1 Thermal analysis curves of the dyeing sludge图2 典型反应条件下印染污泥的燃烧特性曲线Fig.2 Burning analysis curves of the dyeing sludge由图1,2可见：印染污泥在氮气和氧气氛围下的失重可以细分为四个阶段，各阶段的温度范围和失重率见表2.温度范围的分界点，取DTG曲线对应区域相邻极小值[9].表2 污泥物理化学过程特征值Table 2 The characteristics of physical and chemical process of sludge实验氛围第一阶段温度区间/℃失重率/%第二阶段温度区间/℃失重率/%第三阶段温度区间/℃失重率/%第四阶段温度区间/℃失重率/%总失重率/%氮气25～<1435.04143～<43436.31434～<60810.02608～<7002.1353.50空气25～<1506.34150～<48149.62481～<6334.85633～<7001.2362.04对比蒋旭光等[10]和孙颖等[11]分别对造纸和城市污泥热解的分析，再结合图1可以看出印染污泥(干燥基)的热解过程主要分为4个阶段：1) 结合水的析出(25～<143 ℃).该阶段主要是水分的蒸发，并在102 ℃左右达到水分失重率的高峰.DTA曲线上在这个温度附近有一截水分析出时的吸热段.通过TG失重曲线，可以估读出结合水含量，即质量为初始样品质量的5%.2) 主要挥发分的析出(143～<434 ℃).印染污泥中含有丰富的有机物，其中含碳化合物的C—C键发生断裂[12]，产生不凝性气态物，主要包括CO2，CO，CH4和H2，还有微量的C2H6和C2H4，从而导致污泥试样的质量损失.由DTG曲线可以发现，该阶段主要有两类有机物挥发分的析出，分别在240，322 ℃达到失重率最大值.当然，该过程中也有微量的内在残存水分蒸发.该阶段主要挥发分的析出温度与何品晶、陈曼[13]等得出的关于污泥低温热解达到最高能量回收率时的反应温度270 ℃相吻合[14].3) 难挥发分的析出以及以碳酸盐为主的无机物的分解(434～<608 ℃).从DTA曲线可以看出：实验主要表现为以吸热反应为主，对应DTG曲线上出现了两次小的侧峰.第一次侧峰在482 ℃的时候达到最大值，主要是由于高沸点的有机物的分解以及难挥发分的析出，第二次侧峰在551 ℃达到最大值，主要是以碳酸盐为主的无机物发生分解[15].4) 剩余矿物质的分解(608～<700 ℃).从TG曲线可以看出:经历完前一个阶段之后，在这个阶段样品的重量变化很小.因此，这个阶段主要是其它剩余矿物质的分解. 2.2 印染污泥的燃烧特性从图2可看出印染污泥燃烧过程也可以分为4个阶段，但与廖艳芬[16]的污泥燃烧研究结果有些不同：1) 结合水的析出(25～<150 ℃).这个阶段主要是污泥中部分结合水的析出，在104 ℃达到析出的最大值.2) 挥发分的析出及燃烧(150～<481 ℃).这个阶段主要是印染污泥中挥发分的析出及燃烧.伴随着挥发分的析出，印染污泥的重量不断减小，这符合TG图的走势.同样，伴随着挥发分的燃烧，DTA曲线图上出现了两个明显的放热峰.这与通过DTG 曲线所得到的：印染污泥中主要存在两类有机物挥发分，分别在337，446 ℃达到失重峰值，相一致.224 ℃还存在一个小的侧峰，这应该是挥发分中的一类较易挥发的有机物析出造成的，也可能是少数结合水的析出.3) 固定碳的燃烧[17](481～<633 ℃).印染污泥中挥发分含量明显高于固定碳含量，而固定碳燃烧也要放热并会造成印染污泥的失重，因而在540 ℃时DTG曲线上出现了一个放热侧峰.结合DTA曲线在这个温度附近的波动情况，可以把这个阶段界定为固定碳的燃烧阶段.4) 无机物矿物质的分解(633～<700 ℃).该阶段主要是印染污泥中无机矿物质的分解，而碳酸盐为主的无机物受前一个阶段的影响，已经几乎分解完毕.因此，其他的无机矿物质的分解对失重的影响几乎可以忽略.但是由于矿物质的分解要吸收热量，因此DTA曲线表现为吸热反应.2.3 印染污泥热解和燃烧特性比较由表2和图3可见：印染污泥在空气条件下的总失重率高于氮气条件下的失重率.这主要是因为在氮气氛围下，污泥的主要失重表现为挥发分的析出，而在空气氛围下，除了挥发分的析出外，还有固定碳的燃烧.在图3中，燃烧TG曲线位于热解TG曲线之下.印染污泥热解和燃烧过程的第一阶段均为结合水的析出阶段.通过图2中热解和燃烧的TG曲线对比，可以发现这一阶段的失重规律基本一致.这与现实情况相一致，因为实验使用的是同一种样品.图3 热解和燃烧TG，DTG曲线Fig.3 Pyrolysis and combustion TG—DTG curves of the dyeing sludge由TG曲线可以看到：在热解和燃烧的第二阶段，燃烧过程的失重大于热解过程的失重热解在这一阶段的失重主要是由于污泥中挥发分的析出，而燃烧在这一阶段除了有机物挥分的析出外，还有固定碳的燃烧.从DTG曲线可以看到，燃烧过程和热解过程的失重峰数目都一样，并且在330 ℃都达到第一次失重主峰，但燃烧过程在450 ℃达到第二次失重主峰热解过程在485 ℃才达到第二次失重峰.这是因为燃烧过程在这个阶段挥发分发生燃烧，大量发热使失重峰提前，并导致在DTG曲线上，燃烧过程的失重峰明显高于热解过程的.在热解和燃烧的第三个阶段，热解过程的失重峰比燃烧过程的失重峰略高.主要是因为燃烧过程的前一个阶段，挥发分的燃烧放热，使部分的固定碳燃烧，部分以碳酸盐为主的无机物在第二阶段提前发生了分解.而热解过程没有额外的热源，难挥发分的析出以及碳酸盐的分解主要在第三阶段完成.热解和燃烧的最后一个阶段，主要是无机矿物质分解.同样由于燃烧在前两个阶段中的放热，使得部分温度条件提前达到矿物质的分解温度，而将部分物质的分解提前.因此，该阶段的DTG曲线上的失重速率普遍表现为热解的偏大.由图3结合图4可见：在整个燃烧过程和热解过程中，都表现为燃烧的DTA曲线在热解的之上.这是因为挥发分和固定碳的燃烧属于剧烈的氧化反应.其放出的热量远远大于热解的放热.图4 热解和燃烧DTA曲线Fig.4 Pyrolysis and combustion DTA curves of the dyeing sludge2.4 升温速率对印染污泥热解和燃烧特性的影响利用差分热重分析仪，研究了不同的升温速率对印染污泥的热解与燃烧特性的影响.图5，6分别是由实验数据作出的相关热重曲线.图5 不同升温速率下燃烧热重曲线Fig.5 The combustion curves of the dyeing sludge in different temperature speeds图6 不同升温速率下热解热重曲线Fig.6 The pyrolysis curves of the dyeing sludge in different temperature speeds由图5(a)和图6(a)可以发现：升温速率对印染污泥的TG曲线影响不大.升温速率越快，污泥的整体受热越不充分，表现为污泥的失重越滞后.由图5(b)和图6(b)可以发现：随着升温速率的上升，印染污泥失重速率的峰值越大.这是因为温升速度越快，同样时间内所达到的温度就越高，或者说达到同样的温度所需的时间就越短，从而使得无论是热解过程还是燃烧过程的失重峰，都与升温速率成正相关.在燃烧过程中，因印染污泥在挥发分析出的同时伴有挥发分和固定碳的燃烧，而温升速率越快，达到燃点也就越快.因此，当升温速率越高时，印染污泥失重的结束时间提前.所以，燃烧过程TG曲线在483 ℃之后表现为40 ℃/min时的残余重量比30 ℃/min时的残余重量少.由于温升速率越快，印染污泥的整体受热越不均匀，表现为外表面的温度高，内核的温度低，所以整体达到失重峰的时间随着升温速率的提高有所滞后.从图5，6的DTA曲线可以看出：在升温速率分别为40 ℃/min和30 ℃/min两种条件下，25～300 ℃区间内，两曲线出现了相互交替.这是因为在该阶段30 ℃/min的温升速率使印染污泥整体受热充分且较快达到该段的水分以及挥发分的析出温度，因而所放出的热量多.而40 ℃/min的温升速率使得样品内部受热不均匀，导致部分的挥发分析出滞后.3 结论通过对印染污泥热解与燃烧特性的差分热重实验及分析得到：印染污泥的热解过程分为四个阶段：(25～<143 ℃)结合水的析出，(143～<434 ℃)有机物挥发分的析出，(434～<608℃)难挥发分的析出及碳酸盐为主的无机物的分解，(608～<700 ℃)其它高沸点无机矿物质的分解；同时燃烧过程也分为四个阶段：(25～<150 ℃)结合水的析出，(150～<481 ℃)有机物挥发分的析出与燃烧，(481～<633 ℃)固定碳的燃烧及部分高沸点挥发分的析出与燃烧，(633～<700 ℃)无机物的分解;其中第二阶段挥发分的燃烧放热，使得部分固定提前碳燃烧，部分以碳酸盐为主的无机物提前分解，导致第三阶段热解过程失重峰比燃烧过程的略高；而热解和燃烧的失重特点在250 ℃之前基本一致，在250～700 ℃的温度区间里，燃烧的失重速率比热解的失重速率大.最后升温速率越高，会导致污泥的内外温差增大，使热解与燃烧过程中失重峰滞后.参考文献：[1] 杨莹琴,岳小欣.己内酰胺插层有机膨润土复合材料的研制及其对甲基橙的吸附[J].信阳师范学院学报:自然科学版,2008(4):563-565．[2] 刘祖文,田长顺,王遵尧.印染废水处理方法及发展趋势[J].科技广场,2008(2):68-71.[3] 陈勇.印染污泥处理技术分析[J].染整技术,2009(8):26-28．[4] DOS-SANTOS A B, CERVANTES F J, VAN LIER J B. Review paper on current technologies for decolourisation of textile wastewater: perspectives for anaerobic biotechnology[J]. Bio-researches Technology,2007,98:2369．[5] 陈红英,王红涛.城市污水处理厂污泥的资源化利用研究[J].浙江工业大学学报,2007,35(3):337-340.[6] 林春绵,蔚立玉,王军良,等.城市污水处理厂污泥的肥料化利用[J].浙江工业大学学报,2004,32(2):151-156.[7] 朱良德.城市生活垃圾处理方法及经济分析[J].环境污染与防治,1991,13(2): 26-30．[8] 黄明星,刘丹.四川省城市生活垃圾的组成及特性[J].中国环境检测,2012,28(5):121-123．[9] 刘乃安.生物质材料热解失重动力学及其分析方法研究[J].中国科技大学学报,2000(2):11-14．[10] 蒋旭光,池涌,严建华,等.污泥的热解动力学特性研究[J].环境科学学报,1999(2):111-114．[11] 孙颖,许冉,刘仲哲,等.厌氧消化污泥和未消化污泥在TG-MS上的热化学特性比较[J].环境科学学报,2009(1):169-174.[12] 胡艳军,宁方勇,钟英杰,等.城市污水污泥热解特性及动力学规律研究[J].热能动力工程,2012(2):253-258,270．[13] 何品晶,顾国维,邵立明,等.污水污泥低温热解处理技术研究[J].中国环境科学,1996,16(4):254-257.[14] JIA Xiang-ru, JIN Bao-sheng, XIAO Rui, et al. An experimental study on therpyrolysis and combustion properties of sewage sludge[J]. Boiler Technology,2005,36(5):39-42．[15] CONESA J A, MARCILLA A, PRATS D, et al. Kinetic study of therpyrolysis of sewage sludge[J]. Waste Management &Research,1997,15(3):293-305.[16] 廖艳芬,马晓茜.城市污水污泥燃烧特性和动力学特性分析[J].燃料化学学报.2009(3):296-301.[17] 陈江,杨金福,蔡泓林，等.污泥的热解特性实验研究[J].浙江工业大学学报,2005,33(3):315-318.。
污水污泥空气气化特性的研究
污水污泥空气气化特性的研究李涛;解立平;高建东;戴晓红;费学宁;李新禹【摘要】利用外热式下吸固定床气化实验装置,以空气为气化剂对五种不同性质污泥的气化特性进行了研究.结果表明,升高气化温度有利于提高气化气的品质,气化气中CO、CH4和H2的含量和气化气热值随气化剂流量的减小而增加.污泥厌氧消化过程使气化气品质降低；污水处理工艺对污泥气化气组成和热值亦产生影响,其中连续SBR工艺的未消化污泥气化气中CO、CO2的含量最高,而H2、CH4和CmHn的含量最低；活性污泥法的未消化污泥气化气中H2和CmHn含量最高；A2/O工艺的未消化污泥气化气中CO、CO2的含量最低,而CH4的含量最高,且三个污水工艺污泥的气化气热值依次升高.%The air gasification characteristics of five different sewage sludges were carried out in an external heated downdraft fixed-bed. The results show that the higher gasification temperature can improve the quality of product gases, and the contents of CO, CH4, H2 and the lower heating value (LHV) of the gases decrease with the increase of air flux. Anaerobic digestion process of the sewage sludge reduces the quality of the gases which is also affected by wastewater treatment of the sludges. The contents of CO, CO2 in the gases from the undigested sludge of continuous SBR process are the highest, and that of H2, CH4, CmHn are the least. There are the highest contents of H2 and CmHn in the gas from the undigested sludge of activated sludge process. The gases from the undigested sludge of A2/O process contain the least contents of CO, CO2 and the highest CH4 content. The LHV of the gases from the three sludges increase in turn.【期刊名称】《燃料化学学报》【年(卷),期】2011(039)010【总页数】5页(P796-800)【关键词】污泥;气化;污水处理工艺;厌氧消化【作者】李涛;解立平;高建东;戴晓红;费学宁;李新禹【作者单位】天津工业大学环境与化学工程学院,天津 300160;天津工业大学环境与化学工程学院,天津 300160;天津渤海环保工程有限公司,天津 300384;天津工业大学环境与化学工程学院,天津 300160;天津城市建设学院环境与市政工程系,天津300384;天津工业大学环境与化学工程学院,天津 300160【正文语种】中文【中图分类】X705污水污泥(污泥)系指生活和工业等废水处理后的终端产物。
污泥的热解特性实验研究
污泥的热解特性实验研究陈江;杨金福;蔡泓林;林超;黄立维【期刊名称】《浙江工业大学学报》【年(卷),期】2005(033)003【摘要】采用热重分析仪对城市污水处理厂及造纸厂废弃污泥的热解特性进行了实验性研究,考察热解温度、升温速率和混煤比例等不同操作参数下的污泥失重特性.实验结果发现,污泥热解过程经历了三个阶段:水分挥发阶段,挥发分挥发阶段和固定碳燃尽阶段;污泥与煤混合物的热解速率在固定碳燃尽阶段与单独污泥热解相比较得到了较大的提高;混煤后污泥的活化能与频率因子都有显著的下降.【总页数】4页(P315-318)【作者】陈江;杨金福;蔡泓林;林超;黄立维【作者单位】浙江工业大学,生物与环境工程学院,浙江,杭州,310032;台州市椒江工业废弃物处置有限公司,浙江,台州,318000;浙江工业大学,生物与环境工程学院,浙江,杭州,310032;浙江工业大学,生物与环境工程学院,浙江,杭州,310032;浙江工业大学,生物与环境工程学院,浙江,杭州,310032【正文语种】中文【中图分类】X705【相关文献】1.N2/CO2气氛下含油污泥热解特性实验研究 [J], 周雄;李伟;柏继松;林顺洪;王超;吕全伟2.市政污泥与烟煤的混合热解特性实验研究 [J], 高新勇;金晶;张号;董振;曾武勇;孟磊;高文静3.污泥和脱灰污泥的热解特性及NOx前驱物的转化研究 [J], 林莉欣;沈洪浩4.玉米秸秆与市政污泥混合热解特性及动力学分析 [J], 代敏怡;丛宏斌;郭占斌;赵立欣;孟海波;姚宗路;盛晨绪;李丽洁;吴雨浓;张迎5.城市污泥热解特性及理化性能研究 [J], 郭晋荣;贾里;王彦霖;郭婧楠;王晓霏;张永强;乔晓磊;樊保国因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
水泥窑焚烧干化污泥烟气排放特性实验研究
水泥窑焚烧干化污泥烟气排放特性实验研究一、研究背景及意义干化污泥在水泥窑烧结过程中被广泛应用。
干化污泥的热值较高,并含有丰富的有机成分,可以作为水泥生产过程中的可替代燃料,同时可以降低污泥处置的成本,减少对环境的污染。
然而,干化污泥的含水率、各种成分的含量和化学特性可能影响烟气的生成和排放。
为了保护环境和提高水泥生产的节能效益,必须深入了解干化污泥的燃烧和烟气排放特性。
二、研究方法和流程本研究采用实验方法,对干化污泥的烟气排放进行了分析。
实验过程主要包括以下几个步骤:1.实验样品制备:选择几种不同来源和性质的干化污泥样品,将其制成规定的试样。
2.实验设备搭建:利用烟道采样设备、烟气分析仪和热量计等装置进行实验。
3.实验过程控制:控制干化污泥烧结的温度、时间和燃烧空气量等条件,并监测和调控烟气排放的温度、流速、氧气含量、污染物含量等参数。
4.实验数据分析:收集和处理实验数据,得出干化污泥燃烧过程和烟气排放特性的定量参数和分布图。
三、实验结果和分析通过对干化污泥的燃烧过程和烟气排放的分析,得出了以下几点结论:1.烧结温度对干化污泥的燃烧和烟气排放有重要影响。
低温下,燃烧不充分,烟气排放中有大量的未燃尽的固体颗粒;高温下,容易产生N O x等大气污染物。
2.干化污泥的特性对烟气排放有明显影响。
不同来源和成分的污泥在燃烧过程中有不同的反应行为和生成规律,可能导致烟气与不同污染物的排放量和组成不同。
3.燃气速率和氧气含量的变化也会影响烟气排放的特性。
当燃气速率较慢、氧气含量较高时,燃烧比较充分,污染物排放比较少。
四、结论和建议本研究通过实验手段,深入研究了干化污泥燃烧过程和烟气排放特性。
研究结果表明,干化污泥的性质、燃烧温度和燃气速率等因素对烟气排放有明显影响。
为了实现水泥生产和污染防控的双重目标,建议:1.加强对干化污泥来源和成分的检测和调查,控制其含水率和有毒有害成分的含量,减少对烟气排放的影响。
2.优化水泥窑烧结工艺和设备,降低燃烧温度和燃气速率,以提高燃烧效率和减少污染物排放。
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。
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１ 引言
随着人口的日益增加和全球社会的日益城镇 化，城市污水的产生量越来越大，作为城市污水处 理副产品的污泥的数量也在急剧增加。污水污泥是 一种由有机残片、微生物、无机颗粒、胶体等组成 的非均质体，污泥含有有毒有机物、致病微生物和 重金属，会对环境产生严重危害，随着污泥产量的 急剧增加，污泥的处置越来越受到人们的重视。污 泥处置方法主要包括：填埋、海洋倾弃、肥料农用、 焚烧及资源化利用等。 焚烧法具有稳定化、 无害化、 减量化和资源化的优点，是一种很有发展前景的处 置方法。由于污泥中含有大量的有机质，为其能源 化利用提供了物质基础
试样名称 上海 １ 号污泥 上海 ２ 号污泥 南 京 污 泥 苏 州 污 泥 Ａｄ ／％ ２５．３６ ４６．０３ ７３．７９ ７８．２８ Ｖｄ ／％ ６６．０１ ４８．３６ ２４．８９ １９．５４ ＦＣｄ ／％ ８．６２ ５．６０ １．３２ ２．１８ Ｑｇ，ｄ ／ＭＪ・ｋｇ－１ １９．７４ １３．５１ ５．５６ ３．２７
1000
温度／℃
图 １ 上海 １ 号污泥燃烧曲线 Fig 1 Thermal analysis curves of combustion of Shanghai sludge 1
100 95
－１
图 ２ 上海 ２ 号污泥燃烧曲线 Fig 2 Thermal analysis curves of combustion of Shanghai sludge 2
第 ２５ 卷增刊 ２００５ 年 １０ 月 动 力 工 程 ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＰＯＷＥＲ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ Ｖｏｌ．２５ Ｓｕｐ． Ｏｃｔ．２００５
污泥在空气气氛下的燃烧特性研究
贾相如 １， 金保升 １， 肖 睿 １ ，王清华 ２
Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ Ｓｅｗａｇｅ Ｓｌｕｄｇｅ Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｉｎ ａｎ Ａｉｒ Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ Ｕｓｉｎｇ ＴＧ ａｎｄ ＤＴＡ
JIA Xiang-ru1, JIN Bao-sheng1 , XIAO Rui1, WANG Qing-hua2 (1. Key Laboratory of Clean Coal Power Generation and Combustion Technology of Ministry of Education, Southeast University, Nanjing 210096, China; 2. Inner Mongolia University, Hohhot 010080, China) Ａｂｓｔｒａｃｔ： The combustion of four samples of sewage sludge was studied using TG and DTA. The samples were degraded in an air atmosphere with a heating rate of 20 ℃/min. The results showed that the combustion process of sewage sludge in an air atmosphere consisted of three stages, that is, dehydration, organic compound decomposition and fixed carbon combustion, and inorganic matter decomposition. The first stage is an endothermic reaction, and the second one is an exothermic reaction. A Bi-component Separate-stage First-order Kinetic Model was applied to describe the second stage, and the kinetic parameters, the pre-exponential factor and the activation energy, were calculated to obtain the kinetic equation. The theoretical data of Bi-component Separate-stage First-order Kinetic Model fit the experimental data very well. By means of TG-DTG, the ignition temperature was confirmed. The higher volatile is, the lower ignition temperature is. Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： power and mechanical engineering; combustion; thermoanalysis; sewage sludge; kinetics
试样名称 第一阶段 温度区间/℃ 上海 1 号污泥 上海 2 号污泥 南 京 污 泥 苏 州 污 泥 室温－101.4 室温－132.6 室温－169.7 室温－178.4 失重率/% 4.848 3.871 3.493 3.394 第二阶段 温度区间/℃ 101.4－629.0 132.6－615.3 169.7－608.1 174.8－622.0 失重率/% 69.638 48.571 21.208 19.368 第三阶段 温度区间/℃ 629.0－1000 615.3－1000 608.1－1000 622.0－1000 失重率/% 1.812 2.212 5.788 3.218 总失重率 /％ 76.298 54.654 30.489 25.980
100
0
100
－１
ＤＴＧ
－１ ＤＴＡ／μＶ・ ｍｇ
4
－１
90
ＤＴＧ ＤＴＡ／μＶ・ ｍｇ
4
0
ＤＴＧ／％・ ｍｉｎ
-2 2
60
2 -4
70 60 50 40
ＤＴＡ ＴＧ
0 200 400 600 800
40
-4 0 -6
ＤＴＡ
0 -6
20 0 200 400
ＴＧ 温度 ／℃
600 800 1000
[1,2]
２ 实验
本实验采用法国 Setaram 公司 TG92 型常压热 重－差热分析仪，用α－ Al2 O3 做参比物。由程序 设定升温速率、终温和保温时间。实验过程中采用 水冷方式使热天平处在较低的工作温度，热天平自 动记录相关信号，可获得热重曲线、微商热重曲线 和差热曲线。每个实验结束后，再做一个相同条件 的空白实验以减小系统误差。 实验样品分别采用上海、南京和苏州的四个污 水处理厂的污泥，污泥干燥基的工业分析和元素分 析见表 1 和表 2（国家煤炭质量监督检验中心《煤 和焦炭分析报告》）。由表 1 和表 2 可见，不同污 泥的成分、 发热量、 元素组成和灰分含量差别较大。 污泥在 75℃下干燥 24h，取一定量的干燥污泥 研磨，用 180 目(<0.09mm)的分样筛分筛，使所取 干燥污泥全部通过分样筛。将分筛过的样品放在称 量瓶内，置于干燥皿中备用。 每次实验取上述污泥样品约 5 ㎎，通入流量为 60ml/min 的空气流，升温速率为 20℃/min ，试样由 室温在恒定升温速率下加热到 1000℃。 四种样品的 TG、DTG 和 DTA 曲线见图 1、图 2 、图 3 和图 4。 表 １ 污泥的工业分析（干燥基） Ｔａｂｌｅ １ Ｐｒｏｘｉｍａｔｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｓｅｗａｇｅ ｓｌｕｄｇｅ （ｄｒｙ ｂａｓｅ）
（1．东南大学洁净煤发电和燃烧技术教育部重点实验室, 南京 210096； 2． 内蒙古工业大学，呼和浩特，010080) 摘 要： 采用热分析的方法对四个污水处理厂的污泥在空气气氛下的热解燃烧过程及其动力学特
性进行了研究。提出污泥在空气气氛下的燃烧分三个阶段，第一阶段是水分析出阶段，第二阶段 是有机物的分解燃烧和固定碳燃烧阶段，这一阶段是污泥燃烧的主要失重阶段，第三阶段是无机 物的分解阶段。其中第一个阶段是吸热过程，第二阶段是放热过程。采用双组分分阶段一级反应 模型求出了四个污泥样品的表观活化能和指前因子，给出了样品热解的动力学方程，通过理论计 算，双组分分阶段一级反应模型的理论数据与实验数据吻合良好。采用 TG-DTG 法确定了污泥的 着火温度，计算表明，挥发分含量越高的污泥着火温度越低。 关键词： 动力机械工程；燃烧；热分析；污水污泥；动力学
。
热分析是研究物质物理性质、化学性质及其变 化过程的一种重要手段。本文采用热分析的热重法 （TG）和差热分析法（DTA）研究了三个城市四种 污泥的在空气气氛下的燃烧特性，在热重实验的基 础上，确定了有机物的分解燃烧和固定碳燃烧阶段 的反应级数，求解了化学反应动力学参数，旨在为 污泥燃烧装置的开发提供必要的数据。
表2
污泥的元素分析（干燥基）
Ｔａｂｌｅ ２ Ｕｌｔｉｍａｔｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｓｅｗａｇｅ ｓｌｕｄｇｅ （ｄｒｙ ｂａｓｅ）
试样名称 上海 １ 号污泥 上海 ２ 号污泥 南 京 污 泥 苏 州 污 泥 Ｓｄ ／％ １．３１ １．６４ ０．９３ ０．４０ Ｃｄ ／％ ４１．１１ ３０．５１ １３．９７ １０．０３ Ｈｄ ／％ ５．１９ ４．１８ １．８９ １．４９ Ｎｄ ／％ ６．４７ ４．５９ １．４８ １．６７ Ｏｄ ／％ ２０．５６ １３．０４ ７．９４ ８．１３
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第 ２５ 卷增刊 ２００５ 年 １０ 月 动 力 工 程 ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＰＯＷＥＲ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ Ｖｏｌ．２５ Ｓｕｐ． Ｏｃｔ．２００５
表 ３ 污泥燃烧各失重阶段的温度区间和失重率 Ｔａｂｌｅ ３ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｒａｎｇｅｓ ａｎｄ ｗｅｉｇｈｔ ｌｏｓｓ ｐｅｒｃｅｎｔ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｗｅｉｇｈｔ ｌｏｓｓ ｓｔａｇｅｓ
100