污泥燃燒特性及動力學(xué)分析

盧洪波，楊 健，蘇桂秋

(東北電力大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，吉林吉林132012)

隨著經(jīng)濟的迅猛發(fā)展以及人口數(shù)量的快速增加，我國污水的處理量也在日益增加，污水同時污泥的產(chǎn)量也就越來越大。隨著人們環(huán)保意識的日益增強，污泥處理的要求也越來越嚴格。污泥除了含有有機營養(yǎng)元素以外，還含有大量的細菌、寄生蟲和病毒，處理過程中還會有鋁、鋅、銅、汞、砷等重金屬沉淀到污泥中，并且二噁英、各種鹽類、放射性核素、多氯聯(lián)苯等難以降解的有毒物質(zhì)都會對人類的生存環(huán)境造成嚴重污染。污泥的焚燒技術(shù)可以使污泥達到減量化，無害化，資源化。并且可以回收污泥中的能量用于發(fā)電和供熱等，因此污泥焚燒被認為是處理污泥的最有效的途徑之一［1－3］。

目前，國內(nèi)外普遍采用熱重分析法對污泥與煤混燃和燃燒機理及動力學(xué)特性進行研究［4－8］。Puchong Thipkhunthod等人［9］對污泥的熱解特性進行了研究，發(fā)現(xiàn)熱解的實驗溫度達到800℃，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)污泥的主要分解階段溫度在250℃－550℃之間，熱解氣體含有輕質(zhì)烴、乙醇、甲基氯、CO2。李春雨等人［10］對不同種類的污泥進行了熱重實驗研究，結(jié)果表明污泥的揮發(fā)分析出比較復(fù)雜，污泥燃燒分為兩個階段:揮發(fā)分析出燃燒和固定炭燃燒，并且通過動力學(xué)分析得到污泥燃燒的活化能值比較低。本文研究了污水污泥、罐底油泥燃燒的燃燒失重過程，分析了在不同升溫速率下污泥燃燒特性，采用C－R方法求解了污泥動力學(xué)參數(shù)及其燃燒機理，從而為污泥燃燒工程應(yīng)用提供依據(jù)及評價方法。

1 實驗部分

1.1 樣品制備

實驗污水污泥選取吉林市某化工廠的污水污泥和罐底油泥，污水污泥和罐底油泥的的工業(yè)分析見表1(分析數(shù)據(jù)為空氣干燥基)。將污水污泥和罐底油泥放入干燥箱干燥24 h，干燥溫度設(shè)置為50℃，然后將干燥后的污水污泥和罐底油泥進行研磨并用100目的篩子進行篩分，最后將樣品進行保存。

表1 污水污泥和罐底油泥的工業(yè)分析

1.2 實驗設(shè)備及其方法

實驗采用美國珀金愛爾默(Perkin Elmer)公司生產(chǎn)的Pyris－1型熱分析儀。測量溫度范圍為室溫－900℃或燃料質(zhì)量恒定，升溫速率分別為20℃/min、40℃/min、60℃/min。工作氣氛為模擬空氣(O2∶N2=1∶4)，流量為50 mL/min。實驗樣品用量為2 mg。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 不同種類污泥的燃燒過程分析

圖1和圖2為兩種污泥在不同升溫速率下燃燒的TG和DTG曲線?？梢园l(fā)現(xiàn):兩種污泥的燃燒曲線都具有各自的特點，反應(yīng)的起始和終止溫度、燃燒峰值、燃燒反應(yīng)速率和剩余殘留物比例各不相同。

圖1 不同升溫速率下污水污泥的燃燒熱重曲線

圖2 不同升溫速率下罐底油泥的燃燒熱重曲線

由圖1污水污泥燃燒的TG和DTG曲線可以發(fā)現(xiàn):污水污泥在燃燒過程中分為三個失重階段，即水分蒸發(fā)階段、揮發(fā)分的析出燃燒階段和固定碳的燃燒階段。以40℃/min升溫速率為例，水分析出階段在初始溫度到200℃，此時污泥并未著火;200℃－470℃左右是揮發(fā)分析出燃燒階段，是污泥燃燒過程中的最大失重階段，在306℃左右達到最大失重速率10.91%/min;470℃－730℃是固定碳的燃燒階段，主要是污泥中像難降解的纖維素的一類有機物的燃燒反應(yīng)，該階段的失重率為23.14%。罐底油泥的燃燒過程有兩個明顯的失重峰，從室溫加熱開始至134℃出現(xiàn)水分蒸發(fā)，135℃－443℃為罐底油泥中揮發(fā)分的析出和燃燒，且罐底油泥的失重率為31.98%，最大失重速率為8.38%/min。在443℃－820℃為罐底油泥中固定碳的燃燒和礦物質(zhì)的分解，在此階段罐底油泥的失重率為19.21%，最大失重速率為3.47%/min，與污水污泥的燃燒曲線相比，罐底油泥的失重率要小于污水污泥的失重率，這正好印證了工業(yè)分析中罐底油泥所含灰分大于污水污泥的灰分含量。罐底油泥在第二、三階段的失重溫度都要比污水污泥略微提前，失重率小于污水污泥，且兩個階段的最大失重速率要比污水污泥小很多，這主要是由于兩種污泥的組成成分有較大差異。

2.2 不同升溫速率下污泥的燃燒特性分析

根據(jù)本文的實驗?zāi)康?，選取了以下主要的燃燒熱性參數(shù):

(1)著火溫度Ti，著火溫度是實驗樣品開始燃燒反應(yīng)時的溫度，著火溫度的高低可以反映出實驗樣品燃燒開始時的難易程度［11］。

(2)實驗樣品最大燃燒速率(dw/dt)max及其對應(yīng)的峰值溫度Tmax。最大燃燒速率是指試驗樣品燃燒的DTG曲線上易燃峰所對應(yīng)的峰值，最大燃燒速率反映了實驗樣品的燃燒性能，最大燃燒速率越大，且對應(yīng)的溫度越低，則實驗樣品的燃燒穩(wěn)定性也越好。

(3)實驗樣品的平均燃燒速率(dw/dt)mean，指實驗樣品中的可燃成分與其燃燒所經(jīng)歷的時間之比。

(4)實驗樣品燃盡溫度Th，指實驗樣品燃燒掉其可燃部分的98% 時所對應(yīng)的溫度為實驗樣品，在此溫度所對應(yīng)的時間就是燃盡時間Th［12］。

由表2可知，隨著升溫速率的增加，污水污泥、罐底油泥的著火溫度Ti和燃盡溫度Te都有所提高。這是由升溫速率越大，試樣燃燒時達到相同溫度所經(jīng)歷的時間就越短，反應(yīng)程度也越低，同時樣品的內(nèi)外溫度梯度也越大，使得熱滯后現(xiàn)象加重導(dǎo)致的。隨著升溫速率的增大，兩種污泥的最大失重速率和平均失重速率越大。升溫速率增大，使得試樣單位時間內(nèi)受到的熱沖擊增大，加速了試樣與氧氣的反應(yīng)速率，導(dǎo)致燃燒速率加快。隨著升溫速率的增加，污水污泥和罐底油泥的各項燃燒特性指數(shù)都呈現(xiàn)升高趨勢。在相同升溫速率下比較各燃燒特性指數(shù)Kr，Gb和S可知，污水污泥的燃燒特性指數(shù)高于罐底油泥。

表2 不同升溫速率下污水污泥的燃燒燃燒特性參數(shù)

表3 不同升溫速率下污水污泥的燃燒燃燒特性參數(shù)

3 污泥燃燒動力學(xué)分析

本文采用C－R積分法求對式(1)求導(dǎo)并整理得到C－R法的積分形式如下:

式中:G(α)為反應(yīng)機制函數(shù)f(α)的積分形式;由于就試驗熱反應(yīng)測溫范圍以及絕大部分E值而言近似為常數(shù)，令對于恰當(dāng)?shù)臒岱磻?yīng)機制函數(shù)G(α)而言與成線性關(guān)系，依據(jù)線性擬合相關(guān)系數(shù)最高的擬合方程Y=a+bX的斜率和截距即可以求解E和A。本計算選取常用的機理函數(shù)是求解E和A［15］，常見的機理函數(shù)見參考文獻［15］。

表4和表5是計算得到的兩種污泥的燃燒動力學(xué)參數(shù)，可以看到:污水污泥在揮發(fā)分析出燃燒階段的燃燒反應(yīng)機理為隨機成核和隨后生長，在固定碳燃燒階段的燃燒反應(yīng)機理為三維擴散。罐底油泥在在揮發(fā)分析出燃燒階段的燃燒反應(yīng)機理為隨機成核和隨后生長，在固定碳燃燒階段的燃燒反應(yīng)機理為二維擴散。兩種污泥在揮發(fā)分析出燃燒階段的活化能均高于固定碳燃燒階段，說明兩種污泥的揮發(fā)分析出燃燒比固定碳的燃燒要困難，同時揮發(fā)分的燃燒也為后階段固定碳的燃燒提供了一定的熱量。兩種污泥的頻率因子在揮發(fā)分燃燒階段均大于固定碳燃燒階段，說明兩種污泥在揮發(fā)分析出燃燒階段的活化分子高于固定碳燃燒階段，且燃燒激烈程度也高于固定碳燃燒階段。隨著升溫速率的增大，污水污泥在兩個階段燃燒的活化能先降低后升高，說明污水污泥在40℃/min升溫速率下更有利于污水污泥的燃燒。在升溫速率增大時，罐底油泥揮發(fā)分析出燃燒階段的活化能先減小后增大，在固定碳燃燒階段活化能逐漸減小，在60℃/min升溫速率下，罐底油泥兩個階段的活化能很接近，但在升溫速率為60℃/min時的頻率因子均高于升溫速率為40℃/min時，說明升溫速率為60℃/min時對罐底油泥的燃燒更有利。

表4 不同升溫速率下污水污泥燃燒的動力學(xué)參數(shù)

表5 不同升溫速率下罐底油泥燃燒的動力學(xué)參數(shù)

4 結(jié) 論

(1)污水污泥有明顯的水分失重峰，而罐底油泥則沒有。污泥燃燒可以分為三個階段:水分的蒸發(fā)階段、揮發(fā)分的析出和燃燒階段和固定碳的燃燒階段。污泥的燃燒呈雙峰特點，污泥的燃燒主要發(fā)生在揮發(fā)分析出燃燒階段。

(2)隨著升溫速率的增加，污泥的著火溫度、燃盡溫度和峰值溫度逐漸增大，最大失重速率、平均燃燒速率、可燃性指數(shù)、穩(wěn)燃性指數(shù)和綜合燃燒性指數(shù)均呈現(xiàn)升高趨勢。

(3)污水污泥和罐底油泥的燃燒分為兩個溫度區(qū)間來求活化能，兩種污泥在揮發(fā)分析出燃燒階段的活化能均高于固定碳燃燒階段，兩種污泥的揮發(fā)分析出燃燒比固定碳的燃燒要困難。兩種污泥的頻率因子在揮發(fā)分燃燒階段均大于固定碳燃燒階段。

［1］齊愛玖，孫祥章，王貴成.生物酶催化技術(shù)處置污泥的應(yīng)用研究［J］.中國環(huán)保產(chǎn)業(yè)，2013，(8):30－32.

［2］王同華.微波熱解污泥及其產(chǎn)物組成的分析［D］.大連:大連理工大學(xué)，2008，62.

［3］胡忻，陳茂林，吳云海，等.城市污水處理廠污泥化學(xué)組分與重金屬元素形態(tài)分布研究［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2005，24(2):387－391.

［4］Hliam P，Jost O L Wendt.Metal emissions from incineration.Mechanisms and control［J］.Enery.Combust，1993(19):145－185.

［5］陳尚兵.城市垃圾焚燒處理中重金屬和有機氯化物的二次污染與防治［J］.環(huán)境導(dǎo)報.1998(6):324－329.

［6］趙麗君，張大群，陳寶柱.污泥處理與處置技術(shù)的進展［J］.中國給水排水，2001，17(6):23－25.

［7］史駿.城市污水處理廠污泥處理工藝試驗研究及優(yōu)化研究［D］.北京，北京工業(yè)大學(xué)，2002.

［8］盧洪波，馬玉鑫，祖國剛，等.生物質(zhì)與煤共燃溫度場的數(shù)值模擬［J］.東北電力大學(xué)學(xué)報，2014，34(1):1－4.

［9］Puchong Thipkhunthod，Vissanu Meeyoo，Pramoch Rangsunvigit，Boonyarach Kitiyanan，KitipatSiemanond，Thirasak Rirksomboon Pyrolytic characteristic of sewage sludge［J］.Chemosphere，2006(64):955－962.

［10］李春雨，蔣旭光，費振偉，等.制革、造紙和湖泊污泥燃燒特性的研究［J］.燃料化學(xué)學(xué)報，2009，37(6):757－762.

［11］毛曉飛，李久華，陳念祖.無煙煤燃燒試驗中活化能計算方法的研究［J］.熱力發(fā)電，2008，37(10):23－27.

［12］肖漢敏.污泥熱干燥與焚燒特性研究［D］.廣州:華南理工大學(xué)，2010，56－57.

［13］王艷.城市污泥及其煤混燒的燃燒特性研究［D］.長沙:長沙理工大學(xué)，2010，9.

［14］屈會格，吳昊，孔俊俊.煤與污泥混合物燃燒特性與動力學(xué)研究［J］.電站系統(tǒng)工程.2013，29(1):1－4.

［15］胡榮祖，史啟禎.熱分析動力學(xué)［M］.北京:科學(xué)出版社，2001.