基于正交試驗設(shè)計的污泥低溫?zé)峤鈼l件優(yōu)化

寧方勇，胡艷軍，鐘英杰

（浙江工業(yè)大學(xué) 能源與動力工程研究所，浙江 杭州310032）

隨著城市污水處理量的逐年增加，污泥產(chǎn)量也將隨之提高，產(chǎn)量巨大的污泥的處置正成為城市化進程中面臨的難題之一.目前，城市污水污泥主要采用填海、焚燒、農(nóng)用肥料等方式進行處置［1］.然而，由于污泥中包括大量病原類微生物、寄生蟲卵和有毒重金屬等有害物質(zhì)，處置過程中可能對水體、土壤、大氣等產(chǎn)生嚴(yán)重的環(huán)境污染［2］.如何有效的處置和再利用污水污泥，已成為我國環(huán)境保護部門有待解決的重要問題.眾所周知，污泥焚燒作為當(dāng)前污泥重要的處理技術(shù)被許多城市采用，焚燒可以對污泥進行減容、減量處置，但該處理技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展受到諸多方面的限制，如焚燒工藝在高溫處理過程中產(chǎn)生的氣體包含較高濃度的SO2、NOx和二噁英等污染物［3－4］；同時，高溫焚燒工藝設(shè)備復(fù)雜、需耐高溫高壓的材料，設(shè)備投資高［5］.為此，國內(nèi)外一些學(xué)者開展了一系列熱解技術(shù)研究，以其對污泥進行資源化處理，最大限度利用污泥中的能量，并可以大大降低環(huán)境污染.熱解過程是在隔絕空氣條件下進行，工藝系統(tǒng)運行所需的溫度較低，熱解過程可同時制取固體半焦、液相油和富氫燃?xì)?其中，固體半焦是一種孔隙率高、吸附性好的多孔材料，可用于吸附劑等［6－7］，同時含碳豐富具有較高熱值，可作為二次燃料使用［8］；液相油可以進一步加工制備生物油和一些化工產(chǎn)品［9－10］；富氫燃?xì)饪勺鳛槿剂蠚膺M行民用或工業(yè)使用，也可以作為合成氣或進一步合成化工產(chǎn)品［11－12］.

筆者以杭州城市污水處理廠脫水污泥為原料，以電阻爐管式熱解反應(yīng)器為熱解設(shè)備，基于正交試驗設(shè)計的理論基礎(chǔ)，開展低溫條件下制取固、液、氣三相燃料產(chǎn)品的反應(yīng)條件優(yōu)化研究.主要針對三大熱解反應(yīng)條件：熱解終溫、升溫速率及反應(yīng)時間，通過正交試驗設(shè)計法設(shè)計熱解實驗組合，以熱解三相產(chǎn)物的產(chǎn)率和熱值為評價指標(biāo)，分別分析不同目標(biāo)產(chǎn)物時最佳低溫?zé)峤夤に嚄l件.

1 實驗原理

對于污泥的熱化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)中熱解工藝而言，其最終產(chǎn)物的產(chǎn)率和熱值是衡量具體工藝條件的重要指標(biāo).當(dāng)某一產(chǎn)物的產(chǎn)率和熱值較高時，污泥制取該產(chǎn)物具有較高轉(zhuǎn)化效率和回收率，且所對應(yīng)反應(yīng)條件下的熱解效果越好.因此在研究污泥低溫?zé)峤夤に嚂r，選取了三相產(chǎn)物的產(chǎn)率和熱值作為技術(shù)工藝的評價指標(biāo).

影響污泥熱解制取三相產(chǎn)物的因素有：污泥自身性質(zhì)、熱解設(shè)備類型、熱解反應(yīng)條件等.對于反應(yīng)設(shè)備和污泥材料確定的情況下，如何設(shè)定熱解反應(yīng)條件包括熱解終溫、升溫速率、反應(yīng)時間等直接影響熱解轉(zhuǎn)化效率和產(chǎn)物品質(zhì).這些因素的影響力也是錯綜復(fù)雜，若要全面考慮它需要做大量的試驗，而這些試驗又受成本、人員和時間等方面限制.采用正交試驗設(shè)計安排實驗可以科學(xué)地制定實驗方案并獲得可靠的實驗結(jié)果.

2 實 驗

2.1 試驗方案設(shè)計

采用正交試驗設(shè)計法安排實驗，能夠迅速簡便的找出各影響因素間的相互關(guān)系和較佳的實驗組合.正交試驗設(shè)計是利用正交表來安排與分析多因素試驗的一種設(shè)計方法.它是在試驗因素的全部水平組合中，挑選部分有代表性的水平組合進行試驗的，通過對這部分試驗結(jié)果的分析了解全面試驗的情況，找出最優(yōu)的水平組合.在分析熱解反應(yīng)條件對熱解產(chǎn)物影響的實驗因素時，本研究中僅考慮熱解終溫、升溫速率和反應(yīng)時間三個關(guān)鍵熱解工況條件對污泥熱解產(chǎn)物的影響，這三個因素在污泥熱解時都是可控的操作條件，有效調(diào)控可促使污泥熱解制取某一相產(chǎn)物達到最優(yōu)的轉(zhuǎn)化效果.該效果可以通過三相產(chǎn)物的產(chǎn)率和熱值為評價指標(biāo)，來評價不同熱解工況條件的優(yōu)劣.產(chǎn)物的產(chǎn)率和熱值越高，污泥熱解轉(zhuǎn)化效果越好.經(jīng)全面考慮，采用的低溫?zé)峤鈼l件變化范圍分別為：1）實驗因素A—熱解終溫（300，400，500℃）；2）實驗因素B—反應(yīng)時間（10，15，20min）；3）實驗因素 C—升溫速率（10，20，30min·℃－1），進行三因素的正交試驗設(shè)計.對各因素的水平狀態(tài)，根據(jù)污泥熱解理論和生產(chǎn)的可能性分別定出三個水平，見表1.根據(jù)實驗挑選出的因素及各因素所處的水平，選用L9（33）正交表安排實驗［13］，見表2.

表1 污泥低溫?zé)峤夤r實驗水平Table 1 Experimental level of sewage sludge Low－temperature pyrolysis

表2 污泥低溫?zé)峤庑阅軐嶒灠才?）Table 2 Experimental arrangement of sewage sludge low－temperature pyrolysis

2.2 熱解實驗

實驗所用生活污泥取自杭州市四堡污水處理廠污泥排放總管，是未經(jīng)消化處理的二次脫水污泥，含水率為80.4%，揮發(fā)份和灰分含量分別為46.3%和48.2%，熱值為9.2MJ／kg.污泥熱解采用 LTKC－4－12型可編程節(jié)能型電阻爐，內(nèi)含40mm×600mm的石英管熱解反應(yīng)器.溫度控制系統(tǒng)采用LTDE技術(shù)可編程智能儀表，具有多達30多段升溫控制程序.爐體石英管反應(yīng)器的進氣口端裝有壓力表，可了解反應(yīng)器內(nèi)壓力變化.每組實驗均采集干污泥樣品300g置于陶瓷舟內(nèi)放入反應(yīng)器，密封反應(yīng)器并檢驗系統(tǒng)氣密性，然后通氮氣吹掃以保證無氧環(huán)境.

圖1 污泥低溫?zé)峤夤に囅到y(tǒng)圖Fig.1 Process system diagram of sewage sludge low－temperature pyrolysis

2.3 熱解產(chǎn)物收集與分析

污泥熱解產(chǎn)物的產(chǎn)率采用重量法分析，其中熱解殘渣和熱解液體的產(chǎn)量直接用電子天平稱出，氣態(tài)產(chǎn)物的重量采用差減法獲得，氣體產(chǎn)物的體積用流量計測定.為使熱解氣中的可凝物質(zhì)充分冷凝下來，冷凝設(shè)備采用三組球形套管式水冷冷凝器，在其底部裝有錐形瓶收集冷凝下來的熱解油.污泥熱解產(chǎn)物的熱值是評價其作為燃料的主要指標(biāo)，熱值越高，說明燃料可釋放能量越多，利用價值越高.本研究在對熱解液相油做離心脫水、去除固體雜質(zhì)等預(yù)處理后，采用GR－3500型氧彈式熱量計進行熱值分析，實驗中用的樣品體積為0.8mL，氧彈中氧壓為2.8MPa；不凝性氣體即富氫燃?xì)饨?jīng)過冷凝設(shè)備后進入干燥器中用變色硅膠去除水分，然后進入過濾器，用脫脂棉除塵后通過累計流量計進入尾氣收集裝置.污泥熱解后產(chǎn)生的不凝性氣體主要由 H2，CO，CH4，CO2等幾種成分構(gòu)成的混合氣，除CO2外均為可燃?xì)怏w，此外，熱解氣中還含有少量的C2H4，C2H6等氣體，由于含量較少，且用同一色譜柱分離困難，本研究只對主要氣體成分含量進行研究，最后通過成分含量和不同氣體的熱值標(biāo)準(zhǔn)計算混合燃?xì)獾臒嶂担?4］.固體半焦在實驗結(jié)束并冷卻至100℃左右開爐收集，采用GR－3500型氧彈式熱量計進行熱值分析，所采用樣品為1g.

3 實驗數(shù)據(jù)結(jié)果分析

采用正交試驗的結(jié)果分析方法—直觀分析法對低溫?zé)峤鈱嶒灲Y(jié)果進行分析，找出所研究三大因素對實驗結(jié)果影響的主次關(guān)系以及各因素的最佳組合條件.分析過程：1）計算各因素的水平效應(yīng)值K，是某一因素某一水平所對應(yīng)的試驗指標(biāo)和；2）計算各平均水平效應(yīng)值h，其值為各因素在不同水平下的水平效應(yīng)值K除以該因素的水平數(shù)，由h大小可以判斷某一因素優(yōu)水平和優(yōu)組合；3）求出極差R.R為某一因素的極差，反映了該因素水平波動時，試驗指標(biāo)的變動幅度.R越大，說明該因素對試驗指標(biāo)的影響越大.根據(jù)R大小，可以判斷因素的主次順序.

以污泥熱解液相油產(chǎn)率和熱值的正交設(shè)計實驗結(jié)果分析為例，各因素與指標(biāo)平均水平效應(yīng)值的關(guān)系見表3，4.從表3可以發(fā)現(xiàn)：影響污泥熱解液體產(chǎn)物產(chǎn)率的主次關(guān)系極差R大小可以排出，其關(guān)系依次為A＞B＞C，熱解終溫（A）的影響最大，熱解反應(yīng)時間（B）次之，升溫速率（C）的影響最小.以上污泥熱解三大因素的優(yōu)水平由表3中hj的大小確定.經(jīng)過分析，可以確定A3B3C1，即熱解終溫500℃、熱解停留時間20min、升溫速率10℃／min為污泥熱解制取高產(chǎn)率液相油的最佳工藝組合.從表4可以看出：影響污泥熱解油液相油熱值的主次關(guān)系也是熱解終溫（A）的影響最大，熱解反應(yīng)時間（B）次之，升溫速率（C）的影響最小，制取高熱值的液相油的熱解工況條件為A3B3C1：熱解終溫500℃、熱解停留時間20min、升溫速率10℃／min.然而，由表3，4液相油的分析數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)反應(yīng)條件為A2B3C1時液相油的產(chǎn)率達到最高42.7%，熱值最高達到12 444kJ／kg.這 個 實 驗 安 排 的 反 應(yīng) 條 件 組 合（A2B3C1）與分析獲得的最佳組合（A3B3C1）不一致.因此，對分析得到的最佳組合再進行驗證試驗，獲得的結(jié)果是：當(dāng)熱解終溫500℃，反應(yīng)時間20min，升溫速率10℃／min時，液體產(chǎn)率為42.9%，能值為12 637kJ／kg，可見由正交設(shè)計實驗數(shù)據(jù)分析獲得的反應(yīng)條件組合為污泥熱解制取高產(chǎn)率、高熱值液相油的最佳工況條件.

表3 污泥熱解液相油產(chǎn)率的分析Table 3 Yield ratio analysis of liquid fuel from sewage sludge low－temperature pyrolysis

表4 污泥熱解液相油熱值的分析Table 4 Calorific value analysis of liquid fuel from sewage sludge low－temperature pyrolysis

同理，分別對固體產(chǎn)率、固體熱值、氣體產(chǎn)率及氣體熱值的正交設(shè)計實驗結(jié)果進行分析，數(shù)據(jù)分析結(jié)果見表5.可以發(fā)現(xiàn)：制取高產(chǎn)率和高熱值的固、液、氣產(chǎn)物的最佳工況條件基本一致，熱解終溫對熱解產(chǎn)物的產(chǎn)率、熱值影響最大，而升溫速率影響最小.同時，觀察發(fā)現(xiàn)減小升溫速率、提高熱解終溫有助于提高液體油的品質(zhì)，但不利于固體半焦的生產(chǎn).結(jié)合所有正交試驗設(shè)計的熱解實驗結(jié)果，以生產(chǎn)高產(chǎn)率和高熱值的各相產(chǎn)物為目標(biāo)，各因素的最佳水平組合由平均水平效應(yīng)值為最大的各因素所處狀態(tài)分析獲得，對分析獲得的熱解反應(yīng)工況再進行驗證試驗，結(jié)果見表6.

表5 影響熱解產(chǎn)物各因素的主次關(guān)系Table 5 Correlations among the factors affecting pyrolysis products

表6 各因素最佳組合Table 6 The optimal pyrolysis conditions

4 結(jié) 論

基于正交試驗設(shè)計的理論基礎(chǔ)，開展低溫條件下制取固、液、氣三相燃料產(chǎn)品的反應(yīng)條件優(yōu)化研究.熱解反應(yīng)設(shè)備為電阻爐管式熱解反應(yīng)器，污泥來源于杭州城市污水處理后的脫水污泥，主要分析了影響污泥熱解的三個關(guān)鍵因素（熱解終溫、反應(yīng)時間和升溫速率）主次關(guān)系及最佳組合.由于污泥熱解性能的影響因素很多且相互沖擊，僅單獨開展某個因素的影響能力并不能獲得有效的研究結(jié)果和可靠的實驗數(shù)據(jù)，而正交試驗設(shè)計實驗的方案可以較好解決這一問題.通過正交試驗設(shè)計的實驗研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：熱解終溫對污泥熱解制取的三相產(chǎn)物影響最大，其次為反應(yīng)時間，最小影響為升溫速率.由于不同生產(chǎn)目的的熱解目標(biāo)產(chǎn)物不同，其制取最佳品質(zhì)產(chǎn)物的工況條件也不同，低溫?zé)峤庵迫「弋a(chǎn)率高熱值的液相油的熱解工況參數(shù)：熱解終溫500℃，反應(yīng)時間20min，升溫速率10℃／min；低溫?zé)峤庵迫「弋a(chǎn)率高熱值的固體半焦的熱解工況參數(shù)：熱解終溫300℃，反應(yīng)時間10min，升溫速率20℃／min；低溫?zé)峤庵迫「弋a(chǎn)率高熱值燃?xì)獾臒峤夤r參數(shù)：熱解終溫500℃，反應(yīng)時間20min，升溫速率20℃／min.正交試驗設(shè)計法的研究是基于某種特定條件開展實驗研究的，如果條件發(fā)生變化，如污泥自身特性、熱解設(shè)備等發(fā)生變化，影響因素的主次關(guān)系和各因素的最佳工藝組合形式也會發(fā)生變化.

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