城市污水污泥的热解特性

N大学报(数然学5219计.10城市污水污泥的热解特性奉华,张衍国,邱天,吴占松(消华大学热能「程系,北宗10084)擁要:为了解被内污水污泥蚋燃烧特性,利河差式扫描量境法规的日益严格,这类处理方法已越来越不可行再器(TGA)和热解重量分析法(DSC)等热分析方法对北京污泥中含有大量有机物,可用作肥料,但由于污泥中建店污水处理厂的千燥污泥进行了研究。实验结果表明:的成分复杂,有害物质较多,导致污泥农用技术在实吳污泥的失重过程中有3个失重速奉比较的区我,前2际应用中存在较多的树难。人以挥发份約析当为主,第3^为困定碳的的燃尽区。釆用纣求梃了3^区域的化学反应动力学参数,对其反应杋与以上几种方法相比,焚烧法具有无害化、减容理過六了分析,论只蚋结果对污泥化床焚烧炉的设计有参化、资源化的优点,由于经过高温焚烧污泥中的有害病原体都彻底灭除,减少了环境污染源、而且,通关键词:污水污泥;焚烧;热分所常污泥的含水率和可燃质含量都比较高,焚烧后只中图分类号:X705有少量灰烬,大大减少了污泥的体积和重量,实现文章编号:10051(2010100903文献标识码:A减容减量。此外,焚烧的产物还有利用价值,如灰渣可用于制砖或铺路等,焚烧产生的热量可用于发电或供热,成为可利用的资源。月前匚开发出了多种污Pyrolysis properties of municipal泥焚烧设备,流化床焚娆炉由于具有燃料适应性广sewage sluage燃烧效率高及易于实现对有害气体S()2和NO4的FENG Hua, ZHANG Yanguo, QIU Tian. wU Zhansor控制等特点,使得流化床焚烧法处理污泥得到了越c Department of Thermal Engineering来越广泛的应用。hua University, Beijing 100084, China)燃料的燃烧特性硏究对于燃烧设备的设计及燃Abstract: Thermogravimetric analyses (TGA) and differencescanning calorimeter (DSC) were used to studly the cumb烧工况的组织具有重要意义。本文通过热分析手段hararteristirs uf dried sludge from the Beijing Gaobeidian Sewage对污泥的失重过程及燃烧特性进行∫研究Treatrment Plant. The result showed there are threc temperatureranges during the sludge combuswhich the sludge quickl1污泥燃烧特性的实验硏究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污泥的静态特性parameters for the chemical reitrticns were ralrulared and the sludge实验所用试样取自北京布高碑店污水处理厂combustionns is discussed. Some suggestionsthe design of sludge fluidized bed incinerators.污泥的工业分析结果表明,水份的质量分数(100×Key words: a(wage sludge: combustion: thermal analysu)为81.62。干燥污泥中灰份、挥发份和固定碳所占的100×v分别为33.08,58.76和8.16;碳、氢、城市污水污泥是一种成分复杂的废弃物。据不氮和硫的100×v分别为37.79.4.65,3.91和完全统计,全国日污水排放量4474万米3,而污水69。低位发热量为12610.5kJ/kg厂在净化污水的同时,将产生约占污水总处理量的由此可见,污泥具有高水份,干基挥发份较高而0.3~3%(含水率以97%计)的污泥。如何处理固定碳含量较低的特点。因此,与煤燃烧不同的是,总量如此巨大的污泥已成为一项重要的环保课题在污泥的燃娆过程屮,其高水份和高挥发份将对燃日前污泥的处置方法主要有排海、填埋、农用烧起主要作用,而固定碳的影响较小焚化等排海应当禁止,填埋也未从根本上对污泥进收稿日期行处理和利用随着社会的发展、人口的增长以及环作者简介H中国煤化工CNMHG奉华,等:城市污水污泥的热解特性1.2污泥的热分析分析出区,表明挥发份中有两类化学键能相接近的本文采用热分析(TGA和DSC)方法研究污泥成分通过色谱质谱联合分析法能够进一步确定挥的燃烧特性发份中各类成分的种类、数量。限于篇幅,本文不予图1是升温速率为20Cmin和40C/min的讨论。干燥污泥的 DSC-DTG曲线。实验中通入100mL/此外,由于污泥挥发份含量高、析出快,所以在min的空气气流以保持动态气氛。两图左侧纵坐标TGA实验中污泥燃烧反应速率主要由析出的挥发表示DSC测量过程中试样失重1mg差热放大器补份与氧气的混合情况来决定,即污泥颗粒的燃烧反偿电压的变化量(△V),右侧纵坐标表示DTG测量应主要受扩散过程的控制。当温度达到定水平以时每分钟试样的失重百分比a,比较两图可发现,后,大量的挥发份析出并在颗粒周围形成一个气膜40C/mn升温速率下的污泥最大失重速率明显比层,燃烧主要在气膜层外表面与氧气混合扩散处进20C/min升温速率下的大,大约是后者的两倍左行。该层的燃烧消耗了氧气,只有当挥发份燃尽到一右。但挥发份整体析出规律基本相同定程度,使气膜破裂后,固定碳才能跟氧气接触,并由于实验中采用的样品是干燥污泥所以在图在温度升到足够高时开始燃烧。因此,在DTG曲线1中的DTG曲线(由a表示)上已看不到水份析出的高温区才出现较明显的固定碳燃尽区峰。但由DTG曲线可见,在较低温区存在两个相当从图1中DSC曲线(由△C表示)可见,失重速明显的挥发份析出区,另外在高温区也有一个比较率比较大的3个区域分别对应着一个放热峰。由于明显的固定碳燃尽区。挥发份析出区集中在较低温污泥中固定碳含量很少,其放热峰很小,污泥的热值区的原因主要是因为污泥中有机物含量比较高,各主要由挥发份燃烧产生。在污泥的流化床焚烧炉中成分的化学键比较弱强弱差别也不大,因此温度达挥发份在气固两相流动的携带作用下,在相当大的到一定水平,就开始大量析出存在两个显著的挥发空间里和较长的行程上与氧气反应,因此,污泥的燃烧过程以挥发份的空间燃烧为主2化学反应动力学参数求解求解非等温化学反应动力学参数的方法很多0微分法通常是利用DTG曲线进行计算,但由于影响DTG的因素较多,导致求得的动力学参数准确性较差。 Coats和 Redfern3提出的积分法则直接利用TGA曲线,计算过程比较简单而且准确性好,本文即采用该方法求解反应动力学参数。假设在无穷小的时间间隔内,非等温过程可以(a)升温速率为20℃/min看作为等温过程,则反应速率可表示为da/ dt= kf(a)=Aexp(- E/RT)f(a),(1)式中:a为失重百分比,即某一温度下试样减少的质-2量与达到实验终温(本文为1173K)时试样的总损失质量之比;k为反应速率常数,min-t;A为颗率8因子为活化能,kJ/mol;T为温度,Kf(a)=(1-a),表示未分解的反应物与反应速率之间的关系,n为反应级数。对式(1)积分,并通过直线得到污泥的质量损失过程中150~360C区间n=185C风间=1。对于660~735C温度区间,n在1~2之间(b)J温速率为40C/min根据多数实验者的结果,假设污泥在660~735C温图1千燥污泥的 DSC-DTG曲线度区中国煤化工变区间的化学反应动HCNMHG程见文[3]。由华大学学报(自然科学版)2n01.1(10)拟合直线的斜率和截距,计算出十燥污泥在各温度构,其在氧化剂中的反应属于气两相的非均相燃区间的活化能和频率因子,结果见表1烧燃烧可能发生在碳粒外表面处,也可能发生在碳粒内部的气孔表面。因此,其反应机制较为复杂尚需进一步探讨。另外,在485~660C区间还有个由热解问固定碳燃烧过渡的中间过程,该过程中发生的反应非常复杂,无法用单一的反应机制描述。360考虑到污泥热分析体现的特殊性质,在污泥流化床焚烧炉的设计中,在流态化组织、受热面布置配风组织以及炉膛整体结构等方面都应采取相应的T!(×10°)/Ka)P20℃/min措施,以保证允分、清洁的焚烧污泥4结论污泥作为一种燃料,具有高水份、高挥发份,低固定碳含量的特点;污泥的失重过程屮有3个失重-150-360C速率较高的温度区域,前2个是挥发份的析出区,第360~485C3个为固定碳的燃尽区66-735C污泥热解过程的反应机制以受核生长和干犰控T(×107/K;奶制的反应为主。在485~660C区间有一个过渡过(b]B-40 C/mIn程,无法用单一的反应机制描述图2化学反应动力学参数图污泥的燃烧过程以挥发份的空间燃烧为主,在设计焚娆污泥的锅炉时应合理进行燃烧组织,以提表1污泥的活化能和频率因子高燃烧效率,降低污染排放水平=20 C/ min参考文献( References1ˉ锵或爱,黄国峰、吴启堂.城市污水沔泥处理利用研究进展137,1J.农业环境与发展,199.16(1):60~:822.8JIA\G Chengal, HL NG Guoteng, wL Qutang. Advance ofutilization门]Agro-environment and Developmment, 1999. 15111: 13. (is.3反应机理的分析由于反应的机理方程F(a)=/d,所以当[2]胡龙,何品品,邵立明,城市污水厂污泥热干操理技术及其应用分析LJJ.重庆坏境科学,1999,21(1).n确定后,就可以得到各反应阶段反应机理方程lU Long. HE Pingin, SHAO Liming. Technology and氏温段(约150~360C)applacation analysis of thermal drying treatment for municipalwagt