城市污泥與稻草混合燃燒污染物排放特性研究

陶志偉 邢獻(xiàn)軍

摘要：指出了混燃是處理城市污泥最具前景的處理方法之一，利用管式爐燃燒系統(tǒng)研究城市污泥、稻草以及兩者不同摻混比（10%、30%、50%、70%、90%）的污染物排放特性，并對(duì)比分析了其在不同溫度下（600 ℃、700 ℃、800 ℃、900 ℃）的污染物排放特性。結(jié)果表明：混合樣品在800 ℃的燃燒過(guò)程中CO、SO2釋放曲線均呈現(xiàn)單峰結(jié)構(gòu)。隨著稻草摻混比例的增加，燃燒過(guò)程縮短，CO的生成總量逐漸減小，SO2的生成總量逐漸增大;在不同溫度下，700 ℃下混合樣品的CO的總生成量最低，升高溫度不利于SO2排放。研究結(jié)果可為城市污泥和稻草混燃的污染物排放提供初步理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：城市污泥;稻草;污染物;排放特性

中圖分類(lèi)號(hào)：TK6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A?文章編號(hào)：1674-9944（2020）14-0093-04

1?引言

近幾年來(lái)中國(guó)的發(fā)展速度相當(dāng)之快，城鎮(zhèn)化規(guī)模也在不斷增大，然而伴隨著快速發(fā)展的同時(shí)對(duì)環(huán)境也造成了不小影響，尤其是在固體廢物燃燒方面，排放的煙氣對(duì)大氣帶來(lái)了不可忽視的污染。城市污泥作為固體廢物中的一種，其單獨(dú)燃燒具有燃燒不充分、污染物排放大等缺點(diǎn)，而城市污泥與生物質(zhì)混合燃燒不僅可以提高生物質(zhì)的利用率，還可以大大提高污泥的燃燒效率，降低煙氣對(duì)環(huán)境造成的危害。Aneta等[1]指出生物質(zhì)和污泥共燃是一種很有前途的廢棄物處理方法。張海瑞[2]等利用管式爐研究了秸稈與皮革污泥的燃燒特性，研究表明秸稈與皮革污泥在一定摻混比例下可以減少NO排放量。肖志華[3]等發(fā)現(xiàn)污泥和木屑混合燃燒在一定程度上可以降低CO的生成。目前已有一些學(xué)者對(duì)城市污泥與生物質(zhì)的混燃作出了研究，但是對(duì)城市污泥與稻草的混合燃燒卻鮮有報(bào)道。故本文通過(guò)自主搭建管式爐實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以城市污泥與稻草為研究對(duì)象，分析在不同溫度、不同摻混比例下混合物燃燒過(guò)程中CO和SO2的氣體排放特性的影響規(guī)律，為工業(yè)生產(chǎn)中污染物排放提供理論參考依據(jù)。

2?實(shí)驗(yàn)部分

2.1?實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料料城市污泥和稻草分別選自合肥朱磚井污水處理廠和合肥肥東米廠。樣品采集后置于105?℃烘箱內(nèi)12h。干燥樣品于粉碎機(jī)內(nèi)粉碎后，過(guò)80目篩和180目篩，取篩間的樣品，密封于取樣袋中，置于干燥皿中備用，標(biāo)記為US（Urban Sludge）和RS（Rice Straw）。

2.2?樣品分析方法

表1給出了污泥和稻草的工業(yè)分析、元素分析以及熱值分析。

2.3?實(shí)驗(yàn)儀器及方法

管式爐燃燒系統(tǒng)分為3個(gè)部分：供氣部分：流量計(jì)和氣體罐;爐體部分：管式爐，數(shù)據(jù)采集裝置：煙槍、煙氣分析儀和數(shù)據(jù)采集儀。煙氣分析儀分析不同時(shí)刻各種反應(yīng)氣體的濃度，然后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集儀。所有試驗(yàn)都重復(fù)兩次進(jìn)行，具體的操作步驟如下。

（1）先通過(guò)利用分析天平用稱(chēng)量紙稱(chēng)量樣品200±0.1 mg，使其均勻鋪布在方形瓷舟內(nèi)。

（2）在管式爐上添加加熱程序，當(dāng)管式爐的爐內(nèi)溫度上升到即定的溫度時(shí)，立刻向管式爐中通入900 s空氣，氣體流速為1 L/min。

（3）通過(guò)送樣桿將裝有燃料的方形瓷舟迅速推至管式爐中心恒溫區(qū)間，利用煙氣分析實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)爐內(nèi)的煙氣濃度，采樣的時(shí)間間隔設(shè)置為1 s。

（4）當(dāng)試驗(yàn)過(guò)程到達(dá)設(shè)定時(shí)間后，取出煙槍和瓷舟并將煙氣分析儀數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)采集儀。

2.4?實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

為了更好地闡述煙氣排放試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，本文引入了以下參數(shù)。

（1）峰值：實(shí)驗(yàn)中排放的氣體濃度所達(dá)到的最大值，10-6。

（2）峰現(xiàn)時(shí)間：氣體濃度達(dá)到峰值時(shí)所對(duì)應(yīng)的燃燒時(shí)間，s。

（3）燃盡時(shí)間，約定取CO/SO2濃度降為峰值5%所耗的時(shí)間為燃燼時(shí)間，s。

本實(shí)驗(yàn)主要對(duì)CO和SO2的排放進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)對(duì)排放氣體體積分?jǐn)?shù)曲線積分得到氣體測(cè)定時(shí)間內(nèi)的排放總生成量[4]：

式（1）中：m為煙氣中CO或者SO2氣體生成質(zhì)量，mg;t0為實(shí)驗(yàn)起始時(shí)刻，s;t為實(shí)驗(yàn)過(guò)程中任一時(shí)刻，s;C（t）為t時(shí)刻煙氣中氣體的體積分?jǐn)?shù)，10-6;V（t）為t時(shí)刻煙氣流量，L/min;Mg為氣體的摩爾質(zhì)量，g/mol。

3?結(jié)果與討論

3.1?摻混比對(duì)樣品燃燒CO和SO2排放特性研究

該試驗(yàn)以城市污泥和稻草為研究對(duì)象，工況條件為：燃燒溫度800 ℃、進(jìn)氣流量為1 L/min，在此條件下進(jìn)行燃燒，摻混比例分別設(shè)置為100∶0、90∶10、70∶30、50∶50、30∶70、10∶90、0∶100，對(duì)著7種樣品的CO和SO2排放特性進(jìn)行研究。

3.1.1?不同摻混比下樣品燃燒CO排放特性

排放的煙氣中CO的濃度變化可以很直觀的反映樣品的具體燃燒情況，也可以清楚的判斷揮發(fā)分析出和燃燒過(guò)程及其燃燒產(chǎn)物的相互影響關(guān)系[5]。

圖1給出了不同摻混比下煙氣中CO隨時(shí)間的變化規(guī)律，可以發(fā)現(xiàn)各摻混比下的CO均呈現(xiàn)單峰分布，且伴隨著稻草RS在混合樣品中的比例增加時(shí)，CO的峰值逐漸減小，到達(dá)峰值的時(shí)間也在不斷縮小，CO峰后釋放逐漸加快，燃料樣品的燃盡時(shí)間不斷提前。由表1工業(yè)分析可以看出，US和RS中的揮發(fā)分含量較高，固定碳含量較低，而前期的CO的釋放主要來(lái)自樣品燃燒析出的揮發(fā)分燃燒，而后期CO主要是由揮發(fā)分和固定碳燃燒共同釋放，當(dāng)把混合樣品突然放置在800 ℃的恒溫條件下時(shí)，揮發(fā)分和固定碳的燃燒過(guò)程會(huì)產(chǎn)生重疊[6]，因而CO的釋放均呈現(xiàn)單峰分布。當(dāng)摻混樣品中RS的所占比例越高時(shí)，燃燒更加充分，CO的排放濃度將更低。這主要是由于稻草中揮發(fā)分含量比污泥中的揮發(fā)分含量要高，在通氣流量為1 L/min、燃燒溫度為800 ℃的條件下，由于氧氣的含量較為充分，揮發(fā)分燃燒比較完全，所以當(dāng)?shù)静莸乃急壤鸩皆龃髸r(shí)，CO的濃度降低，混合樣品的燃燒過(guò)程逐漸縮短。結(jié)合圖2可見(jiàn)，CO的生成總量的大小順序?yàn)椋篣S>90U10R>70U30R>50U50R>30U70R>10U90R>RS，也可以表明摻混RS的量增加時(shí)，可以明顯降低CO的排放。

3.1.2?不同摻混比下樣品燃燒SO2排放特性

圖3給出不同摻混比下煙氣中SO2隨時(shí)間的變化規(guī)律，各摻混比下SO2的釋放曲線均呈現(xiàn)單峰結(jié)構(gòu)（US為雙峰結(jié)構(gòu)），都在燃燒不久后出現(xiàn)了SO2析出第一峰，隨著稻草在混合樣品中的占比逐漸增大時(shí)，析出峰的峰值逐漸減小，峰寬逐漸變寬，到達(dá)峰值的時(shí)間逐漸提前，燃盡時(shí)間縮短。由表1中的元素分析可知，US中的S的含量要小于污泥中S的含量，故隨著稻草的摻混比例逐漸增大時(shí)，混合樣品中S的含量逐漸降低，因而SO2不斷減小，尹娜等[7]在研究煤與污泥混燒中污泥的百分含量對(duì)SO2排放的影響，也得到了類(lèi)似的結(jié)論。結(jié)合圖4可見(jiàn)，SO2的生成總量隨著稻草摻混比例的增加而逐漸減小，故表明污泥中摻混RS可以明顯降低SO2的排放。

3.2?不同溫度對(duì)樣品燃燒CO和SO2排放特性研究

該實(shí)驗(yàn)以城市污泥和稻草為研究對(duì)象，摻混比例為：5∶5，即50U50R，研究在四種不同燃燒溫度600 ℃、700 ℃、800 ℃和900 ℃下的CO和SO2排放特性。

3.2.1?不同溫度對(duì)樣品燃燒CO排放特性研究

由圖5可以發(fā)現(xiàn)樣品50U50R在600 ℃和700 ℃的燃燒條件下，CO的排放曲線均呈現(xiàn)雙峰結(jié)構(gòu)，而在800 ℃和900 ℃的燃燒條件下，CO的排放曲線均呈現(xiàn)單峰結(jié)構(gòu);隨著溫度不斷上升，CO釋放的時(shí)間提前，燃盡時(shí)間大大縮短。另外結(jié)合圖6可知，樣品50R50U在不同溫度下燃燒CO排放量差異顯著。CO排放的大小順序?yàn)椋?00 ℃<800 ℃<900 ℃<600 ℃，當(dāng)燃燒溫度為700 ℃，CO的排放量達(dá)到最低，這主要是因?yàn)镃O的排放量是由燃燒速率和熱解速率共同決定的，且溫度給兩者帶來(lái)不同程度的影響變化[8]。當(dāng)燃燒溫度為600 ℃時(shí)，混合樣品（50U50R）已經(jīng)達(dá)到相當(dāng)高，而燃燒速率受溫度的增大而不斷升高;所以當(dāng)溫度到達(dá)700 ℃時(shí)，燃燒速率高于熱解速率，這時(shí)管式爐中熱解出來(lái)的揮發(fā)分有足夠的時(shí)間和爐內(nèi)的氧氣充分混合，從而使得爐內(nèi)燃燒相對(duì)完全，故而CO的排放濃度顯著下降;此外混合樣品經(jīng)破碎過(guò)篩之后粒徑較小，比表面積較大，當(dāng)CO揮發(fā)分析出不是非常多的情況下，燃燒化學(xué)反應(yīng)速率起主導(dǎo)作用，當(dāng)溫度升高引起燃燒反應(yīng)速率升高，燃燒反應(yīng)更加劇烈，CO的排放量和濃度均減小。當(dāng)燃燒溫度大于700 ℃時(shí)，這時(shí)可燃?xì)怏w和氧氣混合程度決定了燃燒反應(yīng)速率，所以當(dāng)溫度升高使得爐內(nèi)的揮發(fā)分析出速度瞬間加快，氧氣消耗量銳減，從而導(dǎo)致?lián)]發(fā)分和爐內(nèi)氧氣混合沒(méi)能充分混合，因而使得CO的排放量和濃度增大。

3.2.2?不同溫度對(duì)樣品燃燒SO2排放特性研究

從圖7中可以發(fā)現(xiàn)，城市污泥和稻草等量混合在不同溫度下的燃燒的釋放曲線均呈現(xiàn)單峰結(jié)構(gòu)。隨著溫度的升高，SO2的體積分?jǐn)?shù)不斷增大，峰現(xiàn)時(shí)間提前，燃燒過(guò)程縮短。這主要是由S的釋放在不同溫度下有著非常明顯的差異。溫度不僅對(duì)城市污泥和稻草燃燒的SO2生成量和生成速率產(chǎn)生影響，而且對(duì)S的釋放時(shí)間也起著一定的作用[9]。在城市污泥與稻草的混燒過(guò)程中，由于有機(jī)硫中的側(cè)鏈硫（-SH）和環(huán)硫鏈（-S-）結(jié)合較弱，需要達(dá)到一定的溫度后才會(huì)破裂形成最早的揮發(fā)分硫，故當(dāng)溫度較低時(shí)，SO2的生成量相對(duì)較少。當(dāng)溫度不斷升高時(shí)，有機(jī)硫中較為穩(wěn)定的噻吩硫和無(wú)機(jī)硫開(kāi)始在高溫下分解，從而使得SO2排放量繼續(xù)增大[10]。同時(shí)，溫度升高還會(huì)提高混合樣品的燃燒速率和綜合燃燒特性，促使SO2排放量不斷增大。此外如果溫度繼續(xù)上升，從而使得管式爐內(nèi)的煙灰氧化或者分解，使得SO2排放量繼續(xù)上升[11]。結(jié)合圖8可知，燃燒過(guò)程中SO2的生成總量大小順序?yàn)椋?00 ℃<700 ℃<800 ℃<900 ℃，故升高溫度不利于降低SO2的排放量。

4.5?小結(jié)

本文將城市污泥和稻草作為研究對(duì)象，對(duì)不同溫度和不同摻混下樣品燃燒的污染物排放特性進(jìn)行研究，探討不同溫度和不同摻混比例對(duì)樣品燃燒氣體產(chǎn)物CO和SO2排放特性產(chǎn)生的影響，得到以下結(jié)論。

（1）在800 ℃的條件下，混合樣品的燃燒過(guò)程CO的釋放曲線均呈現(xiàn)單峰狀態(tài)，隨著混合樣品中RS含量的增加，CO析出峰的峰值逐漸減小，峰寬逐漸變窄，峰值出現(xiàn)時(shí)間和混合樣品燃盡時(shí)間提前，燃燒過(guò)程中CO的總生成量逐漸降低。

（2）混合樣品的燃燒過(guò)程SO2的釋放曲線均呈現(xiàn)單峰狀態(tài)（US呈現(xiàn)雙峰結(jié)構(gòu)），SO2析出峰的峰值隨著稻草含量的增加逐漸減小，峰寬逐漸變寬，峰值出現(xiàn)時(shí)間提前，燃燒過(guò)程縮短，燃燒過(guò)程中SO2的總生成量逐漸降低。

（3）混合試樣（50U50R）在600 ℃和700 ℃下CO的排放曲線呈現(xiàn)出雙峰結(jié)構(gòu)，而在800 ℃和900 ℃下CO釋放曲線呈現(xiàn)出單峰結(jié)構(gòu)，當(dāng)溫度低于700 ℃時(shí)，隨著溫度升高，CO的生成總量下降，高于700 ℃時(shí)，CO生成總量隨之上升，700 ℃時(shí)CO總生成量達(dá)到最低。

（4）混合試樣在不同溫度下SO2的釋放曲線均呈現(xiàn)單峰結(jié)構(gòu)，SO2的體積分?jǐn)?shù)隨著溫度的升高不斷增大，峰值出現(xiàn)時(shí)間提前，燃盡時(shí)間縮短，SO2總生成量增大，表明溫度升高不利于SO2的排放量。

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