污泥燃燒過程中NOx排放特性的實驗研究

張盈文, 金 晶, 張 號, 劉 娓, 趙慶慶, 劉 磊

(上海理工大學能源與動力工程學院,上海 200093)

污泥燃燒過程中NOx排放特性的實驗研究

張盈文, 金 晶, 張 號, 劉 娓, 趙慶慶, 劉 磊

(上海理工大學能源與動力工程學院,上海 200093)

在立式管式爐上進行了石化污泥和市政污泥的燃燒實驗,研究了含水率、燃燒溫度和污泥類型對于NOx排放特性的影響.通過控制干燥時間得到了不同含水率的污泥.研究結(jié)果表明,在含水率為5%～35%的范圍內(nèi),石化污泥和市政污泥燃燒過程中的NOx排放量均隨著含水率的升高而降低;在溫度為700～900℃的范圍內(nèi),兩種污泥燃燒過程中的NOx排放量則隨著溫度的升高而增加;石化污泥的金屬氧化物含量更高,使得在燃燒過程中的NOx排放量更大.并從NOx的生成機理上對這些結(jié)論作了具體的分析,解釋了不同因素對NOx排放量的影響.

石化污泥;市政污泥;NOx;含水率

隨著經(jīng)濟的發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的迅速擴大,工業(yè)廢水和生活污水的排放量也急劇增加.文獻[1]顯示僅我國污水處理廠產(chǎn)生的含水量80%的污泥已突破2 000萬t,而且還在繼續(xù)增加.目前我國的污泥處理形式主要包括土地填埋、農(nóng)用、焚燒和其它處理方法.其中,農(nóng)用約占44.83%,填埋約占31.03%,焚燒約占3.45%,其它處理占6.9%.但是,填埋會占用大量的土地,而且造成二次污染,農(nóng)用雖然達到了資源化利用的目的,卻面臨農(nóng)作物的安全問題.而焚燒法可以快速化、減容化、無害化、能源化地利用污泥[2],但是,污泥高水分、低熱值的特征以及污染物的排放影響了其推廣和應(yīng)用.

文獻[3-4]在流化床上對污泥燃燒的實驗研究表明,干污泥燃燒后NOx排放濃度在800～1 200 mg/m3,而濕污泥的NOx排放濃度小于200 mg/m3,甚至還遠低于燃煤過程中的NOx排放濃度.Shimizu等[5-6]的研究結(jié)果表明,污泥焚燒灰中的金屬氧化物(如Fe2O3,MgO等)對NOx的形成有促進作用.侯海盟等[7]在流化床的實驗臺上對市政污泥進行了燃燒實驗研究,并且考慮了含水率、燃燒溫度和過量空氣系數(shù)等因素對NOx排放的影響,結(jié)果表明,當含水率從4.5%增加到17.5%時,NO的排放濃度明顯降低,相反N2O排放濃度則明顯升高;而隨著燃燒溫度的升高,NO排放濃度呈明顯的上升趨勢,N2O排放濃度卻呈下降趨勢.上述研究均表明,含水率、燃燒溫度以及污泥種類對于污泥燃燒過程中NOx的排放特性有著重要的影響,因此,本文將在立式管式爐上研究這3個因素對污泥燃燒過程中NOx排放的影響,并進行深入的理論分析,這對于污泥焚燒處理中的污染物排放控制將會有指導意義.

1 實驗樣品和實驗條件

1.1 實驗裝置

考慮到熱重分析儀中所能使用的樣品質(zhì)量極小,因此,本實驗將在立式管式爐上進行,其裝置如圖1所示.該裝置的反應(yīng)器主體由石英管制成,內(nèi)徑30 mm,高度750 mm,布風板距離頂端出氣口為500 mm,加熱段長度為500 mm,爐膛溫度及煙氣出口溫度均由熱電偶測量.出口的煙氣成分采用德國MRU公司生產(chǎn)的Delta2000煙氣分析儀進行實時測量.

圖1 立式管式爐裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of tubular furnace

1.2 實驗樣品

實驗中所選用的污泥樣品為南京揚子石化的化工污泥和上海曲陽污水處理廠的脫水污泥(簡稱為石化污泥和市政污泥),其工業(yè)分析和元素分析的結(jié)果如表1所示.M為水分,A為灰分,V為揮發(fā)分, FC為固定碳,下標ad表示空干基.

實驗前先對污泥樣品進行干燥處理[8],使含水率分別為5%,15%,25%和35%,以備后續(xù)實驗需要.

表1 石化污泥和市政污泥的工業(yè)分析和元素分析Tab.1 Results of industrial analysis and elemental analysis (%)

1.3 實驗方法

實驗中污泥樣品質(zhì)量均以干污泥含量1 g為基準,在各工況條件下,實驗均在相同的氣體流量下進行,保證污泥燃燒完全.由于污泥中揮發(fā)分含量較高,極易燃燒,為了避免在加料過程中,污泥樣品出現(xiàn)爆燃現(xiàn)象,實驗前將污泥樣品用錫紙包裹.

在圖1所示的實驗裝置上分別對700,800, 900℃下不同含水率的兩種污泥進行實驗研究,得到兩種污泥在不同燃燒溫度和含水率情況下的NOx體積分數(shù)隨時間的變化曲線,然后利用公式計算NOx的平均體積分數(shù).

2 兩種污泥燃燒排放的NOx特性

在立式管式爐上對不同含水率的石化污泥和市政污泥進行NOx排放特性的實驗研究,立式管式爐的溫度分別置為700,800,900℃,分別得到兩種污泥燃燒的NOx體積分數(shù),如圖2所示.x為含水率.由圖2可以看出,不同含水率的石化污泥和市政污泥在700,800,900℃的條件下進行燃燒實驗所得到的NOx體積分數(shù)曲線有著相近的變化趨勢.

圖2 不同工況下污泥燃燒的NOx體積分數(shù)Fig.2 Concentration of NOxgenerated by sludge combustion under different conditions

在700～900℃的燃燒范圍內(nèi),污泥燃燒所生成的NOx可以認為全部是燃料型NOx,因此,污泥燃燒過程中的NOx主要來源為燃料本身中的N.污泥中N的揮發(fā)形式主要包括NH3和HCN,其中,NH3可以分解為NH2和NH基團,它們既可以被氧化為NO,也可以與NO和OH基團反應(yīng)生成N2,這取決于外部的具體環(huán)境;而HCN在游離態(tài)的氧原子作用下可能分解為NCO,然后NCO會與O原子結(jié)合生成NO,同時NCO與NO反應(yīng)可以生成N2O[9].

2.1 含水率對污泥NOx排放特性的影響

在700,800,900℃這3個溫度下,隨著含水率的增加,石化污泥和市政污泥的NOx排放均有下降的趨勢,這與文獻[10-12]的研究結(jié)果相一致.這主要是因為:a.水分的蒸發(fā)會使爐內(nèi)水蒸氣含量增加,大量存在的水蒸氣極易發(fā)生氣化和還原反應(yīng),進而抑制NOx的產(chǎn)生[13];b.水分含量的增大會使煙氣中的水分增加,進而促進水煤氣反應(yīng),會產(chǎn)生比較多的CO,進而又促進了NO的還原反應(yīng);c.濕污泥在燃燒過程中會產(chǎn)生較高濃度的NH3,使得燃燒過程前期出現(xiàn)類似于SNCR(選擇性非催化還原)的過程[14].這3個方面的原因都表明,在一定范圍內(nèi)隨著含水率的增加,NOx排放量會減少.

2.2 燃燒溫度對污泥NOx排放特性的影響

從圖2中還可以看出,隨著溫度的增加,不同含水率的石化污泥和市政污泥的NOx體積分數(shù)逐漸增加,并且兩種污泥的排放量也有所不同,這表明NOx的排放特性與污泥自身特性有著密切的關(guān)系.

在污泥燃燒的過程中污泥揮發(fā)物HCN主要的生成反應(yīng)為[7]

當溫度逐漸升高時,由N轉(zhuǎn)化而來的HCN將主要進行式(1)的反應(yīng),NOx的排放量將會增加,而N2O的排放量則會降低;另外,溫度的提高會降低反應(yīng)中半焦和CO的濃度,這樣會減弱NO的異相還原反應(yīng).

從式(4)和式(5)的反應(yīng)可以看出,溫度的提升使得NO的反應(yīng)減弱,這樣使得污泥燃燒的NOx排放量增加.

而相關(guān)文獻表明[13],溫度降低則NO均相反應(yīng)所需的自由基O,OH,H的質(zhì)量濃度減少,就使得反應(yīng)式(6)和式(7)減弱,進而使污泥燃燒后的NOx排放量減少.

因此,溫度降低,會使NH3向NOx的轉(zhuǎn)化率降低,這會抑制NOx的生成,同時抑制N的主要揮發(fā)物NH3和HCN向NOx的轉(zhuǎn)變,即NOx的排放量會減小.

由上述分析可知,在不影響污泥維持自身燃燒的基礎(chǔ)上,相應(yīng)降低燃燒溫度可以有效地控制污泥燃燒過程中NOx的生成.

2.3 石化污泥和市政污泥燃燒過程中NOx的排放特性比較

由表1中元素分析的結(jié)果可知,石化污泥和市政污泥的N含量非常接近.但是,從圖2的實驗結(jié)果可以看出,兩種污泥在相同燃燒溫度和含水率的情況下NOx的排放量有所不同,這說明污泥自身的特性是影響其NOx排放量的一個重要因素.因此,有必要對不同污泥的NOx排放量進行對比研究.

圖3將不同含水率下的兩種污泥在不同溫度燃燒時生成的NOx排放量進行了對比.

圖3 不同污泥NOx體積分數(shù)比較Fig.3 Comparison of concentration of NOxgenerated by different sludge

圖3的對比結(jié)果表明,雖然兩種污泥中的N含量相當,但在相同的工況下,石化污泥燃燒后NOx的排放量要明顯高于市政污泥的,這可能是由于石化污泥的主要來源為化工企業(yè)的排放物,與市政污泥相比其中所含金屬氧化物的含量較高,而文獻[15-16]的研究結(jié)果表明,污泥中的金屬氧化物,如CaO,MgO等,可以促進煙氣中的NH3向NO轉(zhuǎn)變,使得煙氣中的NOx含量升高,因而石化污泥對NOx生成的促進作用更加明顯.

3 結(jié) 論

a.石化污泥和市政污泥在不同含水率和燃燒溫度條件下得到的NOx排放特性表現(xiàn)出一定的相似性.在實驗研究中含水率所選取的5%～35%的范圍內(nèi),隨著含水率的升高,兩種污泥燃燒后的NOx排放量均表現(xiàn)出下降趨勢.

b.立式管式爐中700～900℃的溫度相對較低,污泥燃燒后產(chǎn)生的NOx主要以污泥燃燒過程中的燃料型NOx為主.對于同一種含水率的污泥,隨著立式管式爐的溫度的升高,其煙氣中的NOx含量也相應(yīng)的上升.

c.石化污泥和市政污泥的N含量相當,但由于石化污泥所含的金屬氧化物含量較高,使得燃燒過程中生成的NOx體積分數(shù)明顯高于市政污泥的.

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(編輯:石 瑛)

Experimental Study on Property of NOxEmission During Combustion of Sludge

ZHANGYingwen, JINJing, ZHANGHao, LIUWei, ZHAOQingqing, LIULei
(School of Energy and Power Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China)

The test of combustion of chemical sludge and municipal sewage sludge were conducted in a tubular furnace focusing on the influences of moisture content,combustion temperature and sludge type on the emission of NOx.The way to get the sludge with specified moisture content was illustrated in detail and specific steps were listed.The results indicate that with the increase of moisture content from 5%to 35%,the emission of NOxdecreases significantly during the combustion of chemical sludge and municipal sewage sludge.Increasing the combustion temperature from 700℃to 900℃can also increase the emission of NOx.The emission of NOxduring the combustion of chemical sludge is higher because the metal oxides contents in the chemical sludge are higher than those in the municipal sewage sludge.Depending on the generating mechanism of NOx,a detailed analysis of these conclusions was made,and these results will provide a positive guidance to the control of NOxemission in the boiler.

chemical sludge;municipal sewage sludge;NOx;moisture content

TK 16

A

1007-6735(2015)03-0233-05

10.13255/j.cnki.jusst.2015.03.006

2014-03-25

上海市教委科研創(chuàng)新重點資助項目(12ZZ141);上海市基礎(chǔ)研究重點資助項目(14JC1404800);上海理工大學國家級項目培育基金資助項目(13XGM09)

張盈文(1988-),男,碩士研究生.研究方向:清潔燃燒技術(shù).E-mail:zhyw103@126.com

金 晶(1963-),女,教授.研究方向:清潔燃燒技術(shù).E-mail:alicejin001@163.com