污泥和神府煤共燃熱重量分析

李鵬飛+郭建忠

摘 要：城市污水污泥的處理已成為困擾各國的環(huán)境問題，焚燒法和熱解法具有資源化和能源化等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是兩種有前途的熱化學(xué)處理方法，在發(fā)達(dá)國家廣泛應(yīng)用。隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，污泥的處理處置越來越受到關(guān)注。因此，污水污泥的高效潔凈焚燒已成為我國城市污水污泥處理亟需研究的課題。通過熱重法研究了三種不同污水污泥樣品（A，B和C），一種陜西神府地區(qū)煙煤和污泥煤混合物的燃燒在25-800℃的溫度范圍內(nèi)以10℃/min進(jìn)行動態(tài)運(yùn)行。污泥主要由兩種有機(jī)成分組成不同反應(yīng)性；反應(yīng)性較低的部分在更接近煤的溫度下分解和燃燒，盡管通常略微降低。對于煤泥混合物，檢測不到組分之間的相互作用。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果計算出Arrhenius動力學(xué)參數(shù)，將該過程作為一系列連續(xù)的第一個參數(shù)訂單反應(yīng)。由于少量添加污泥（10wt%混合），煤的反應(yīng)性幾乎沒有變化。50wt%共混物顯示有兩個不同的反應(yīng)區(qū)域。在較低溫度區(qū)域（約T<350℃），共混反應(yīng)性與污泥相似在較高的溫度區(qū)域類似于煤（T>350℃）。

關(guān)鍵詞：污泥；煤炭；復(fù)合燃料；熱重量

中圖分類號：X705 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）31-0104-03

引言

污水污泥與煤混合物的燃燒結(jié)合了其他處置方法中沒有的許多優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)包括污泥體積的大幅減少以及有毒有機(jī)化合物和病原體的熱破壞。此外，這些方法允許回收利用這種材料的能量替代不可再生燃料。然而，共燃過程可能有一些缺點(diǎn)，主要有NOx（由于污泥的氮含量高），微量元素和二惡英的排放[1]。污泥是污水處理過程中產(chǎn)生的一種特殊的泥水混合物，成分十分復(fù)雜，它是由微生物形成的菌膠團(tuán)與其吸附的有機(jī)物和無機(jī)物組成的集合體，除含有大量的水分外，還含有難降解的有機(jī)物、揮發(fā)性物質(zhì)、重金屬離子、寄生蟲卵、病原微生物等，且其有機(jī)物含量高，容易腐化發(fā)臭，如不加妥善處理和處置，直接排放會給水體、土壤和大氣造成嚴(yán)重污染，破壞生態(tài)環(huán)境[2]。由于不同于煤的污泥（揮發(fā)性物質(zhì)，灰分和固定碳）的技術(shù)性能，預(yù)計燃燒特性的顯著差異。這可能對燃燒效率有重要影響。對TG譜的研究有助于提高這一過程的知識，從而建立最佳的操作條件來發(fā)展。因此，有幾位作者研究了不同類型污泥的燃燒，以及通過熱重分析污泥對煤的添加效果[3-5]。

這項(xiàng)研究的目的是通過熱重分析研究一種煙煤，三種污水污泥及其混合物的燃燒，評估混合組分之間的相互作用。此外，進(jìn)行簡單的動力學(xué)分析以適應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并驗(yàn)證污泥加入煤中時的反應(yīng)性變化。

1 試驗(yàn)

來自我國陜西神府地區(qū)（C煤）的一種煤（高揮發(fā)性煙煤）以及三種類型的污水污泥樣品并位于三個城市污水處理廠（A，B，C）。A和B污泥樣品的穩(wěn)定化和調(diào)理分別通過加入石灰和FeCl3來制備。第三種污泥（C）是從沒有氮?dú)庀A段的植物獲得的，其穩(wěn)定化和調(diào)理分別通過加入石灰和有機(jī)聚電解質(zhì)進(jìn)行。從這些材料中制備6個污泥-煤混合物，其干燥污泥含量為10wt%和50wt%。表1為燃料物質(zhì)分析數(shù)據(jù)。

用MettlerTA-4000熱重分析儀進(jìn)行熱重燃燒運(yùn)行分析。使用大約10mg的干燥樣品，粒度為200μm，測試試驗(yàn)的再現(xiàn)性。測定在靜態(tài)空氣氣氛中進(jìn)行，使用溫度從環(huán)境升高至800℃的加熱速率為10℃/min進(jìn)行試驗(yàn)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示神府地區(qū)煙煤的典型燃燒特性，其主峰包含在304-640℃之間，最大重量損失率為529℃，熱分解和揮發(fā)物損失以及焦化氣化的結(jié)果[6]。此外，觀察到凈增重是由于之前的氧化學(xué)吸附燃燒開始，污泥樣品包括多個峰，并且根據(jù)污泥的特性而變化。C污泥的形態(tài)是不同于A和B樣本，其行為類似。污泥燃燒間隔可分為兩個階段。對于A和B污泥，第一個從約160-360℃延伸，顯示單峰，重量約減少58%。在360-640℃的階段，剖面顯示存在與不同來源的有機(jī)物有關(guān)的幾個小的重疊峰，總體重約減少42%。在C污泥的情況下，兩個階段分別從145℃延長到380℃，從380℃延伸到565℃，相當(dāng)于總重量損失的56%和44%（如圖1）。每個混合物的曲線位于參考材料的曲線之間，可以清楚地了解到污泥和煤對這些峰值曲線的影響。因此，盡管顯示出一些差異，10wt%化合物表現(xiàn)與煤類似，例如化學(xué)吸附階段的消失，以及最大重量損失率的輕微降低。此外，對于50wt%共混物，可以看到兩個不同的階段，在第一階段顯示了污泥，在第二階段顯示了主要是煤。在污泥和50wt%共混體系中，第一階段的峰值主要?dú)w因于空氣與揮發(fā)物質(zhì)和反應(yīng)性結(jié)構(gòu)的反應(yīng)，而第二階段的反應(yīng)是由于更復(fù)雜結(jié)構(gòu)的反應(yīng)。在較早的工作中，來自相同廢水處理廠的污泥樣品的差分熱分析表明，根據(jù)兩個TG曲線，存在兩個放熱峰。其他研究者也獲得了類似的污泥燃燒結(jié)果。從圖中的TG可以看出，如圖1所示，對于A和C共混物，觀察不到共混組分之間的相互作用，因?yàn)閺墓不旖M分的加權(quán)和計算的實(shí)驗(yàn)和計算的兩個分布是一致的。然而，對于B共混物，可以看出可能與組分之間的某種程度的相互作用有關(guān)的微小差異。這些結(jié)果與其他作者獲得的結(jié)果不一致，他們觀察到混合燃燒過程中的重要相互作用。類似地，如在其他文獻(xiàn)中，在這些樣品的熱解的情況下，沒有觀察到共混組分之間的相互作用。

mi和mi∞分別是每個時刻的i分?jǐn)?shù)的未燃燒質(zhì)量和峰末端的未燃燒質(zhì)量（在DTG中的兩個重疊峰的情況下，mi∞在兩個峰的交點(diǎn)處被確定），并且k應(yīng)該遵循Arrhenius方程。

對于大多數(shù)樣品來說，常規(guī)樣品的動力學(xué)參數(shù)以及B污泥，煤及其混合物的Arrhenius圖，都獲得了合理的燃燒數(shù)據(jù)。在Arrhenius圖中，對于每種類型的污泥及其與煤的混合物，有兩個廣泛的線性區(qū)域，其中污泥是最具反應(yīng)性的物質(zhì)。

對于煤，顯示了具有兩個不同的線性間隔的典型的Arrhenius圖，其具有380-570℃和570-650℃的線性度。在第一個子區(qū)間，全過程的表觀能量激活為61.5kJ/mol，涉及的煤轉(zhuǎn)化為脫揮發(fā)分，揮發(fā)物點(diǎn)燃和表面反應(yīng)。第二個子區(qū)可能主要與焦炭燃燒有關(guān)，其活化能為182.3kJ/mol。這些值與其他作者在空氣流下進(jìn)行TG測定所獲得的值完全一致。對于這個子間隔，發(fā)現(xiàn)的值似乎表明反應(yīng)在化學(xué)控制下發(fā)生，因?yàn)檫@樣一個值接近來自Asturian煙煤的焦炭的其他研究者報告的數(shù)據(jù)。對于50wt%的共混物，活化能幾乎等于污泥和煤的活化能（C污泥最大偏差約9%）和第二區(qū)線性（最大偏差30%較高的溫度）。后者表明，在第一個燃燒階段，只有污泥被燃燒，而在第二個燃燒階段，煤與少量的污泥燃燒（在煤燃燒間隔中反應(yīng)的總質(zhì)量的24%），這僅略微改變了煤的動力學(xué)參數(shù)。在較高的溫度下，只有煤被燃燒。另一方面，10wt%的混合物表現(xiàn)為與煤具有類似反應(yīng)性的單一材料，對煤燃燒的動力學(xué)參數(shù)具有不可忽視的影響。

3 結(jié)束語

在煙煤和污水污泥樣品的燃燒特性（DTG）之間，發(fā)現(xiàn)了幾個可理解的差異，主要是由于材料的“等級”差異。一般情況：（1）污泥中有機(jī)物燃燒區(qū)域的轉(zhuǎn)變溫度低于對應(yīng)煤層的溫度；（2）這些區(qū)域的溫度范圍比煤更為廣泛；（3）這些區(qū)域?qū)τ谖勰啵▋蓚€或多個峰）比對于煤（一個峰）更為復(fù)雜。污泥-煤混合物顯示了污泥和煤之間的中間行為，這可能是從重量組成的混合物中預(yù)測。

動力學(xué)分析結(jié)果表明，一階反應(yīng)與Arrhenius定律材料解釋相當(dāng)及其混合物發(fā)現(xiàn)的不同失重階段。對于10wt%的共混物，反應(yīng)性類似于煤的反應(yīng)性，而對于50wt%的共混物，可以區(qū)分兩個不同的反應(yīng)活性區(qū)域。在較低溫度區(qū)域T<350℃，由于僅在該材料中發(fā)生脫揮發(fā)分，共混反應(yīng)性與污泥相似。在較高的溫度區(qū)域T>350℃，混合反應(yīng)性接近于煤，由于在煤燃燒區(qū)間，煤中燃燒的比例較低的污泥有機(jī)物質(zhì)。因此，能量活化值分別與每個燃燒階段的污泥和煤相似。

參考文獻(xiàn)：

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