印染污泥混燃特性.docx
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印染污泥混燃特性
印染污泥混燃特性
1引言
城市污水处理厂每天产生大量的污泥,其中水分高(达80%以上)、体积庞大、容易腐化发臭而导致其难处理,并且工业污泥如印染污泥含有大量有机物及重金属已经被广东省列为严控废物(HY13).随着市政污泥及工业污泥产量逐年递增,欧盟很多国家严禁含有可生物降解有机物的污泥进行填埋,鼓励对其进行焚烧处理.焚烧法是一种具有减量化、无害化、资源化及回收能源等优点的污泥处置技术(Fanetal.,2014).其处理方式主要包括生活垃圾或燃煤掺烧污泥发电、水泥回转窑协同污泥焚烧用作水泥原料、污泥干化后单独焚烧发电等.充分利用已有的成熟技术及焚烧设备对污泥进行掺烧具有成本低的优点,而逐渐成为污泥焚烧处理的主要方式(Linetal.,2015).但污泥掺烧过程中由于不同类型污泥、生活垃圾、燃煤成分的复杂性、多变性,会导致酸性气体、粉尘、有机污染物、重金属等强毒性污染物的排放,从而影响到污泥掺烧方式、掺烧比例、焚烧炉型选择及尾气净化设施设计等.因此有必要针对不同来源污泥及其混合污泥的燃烧特性进行系统研究.
为了获得不同来源污泥焚烧过程及其综合燃烧特性,国内外很多学者采用热重分析法对不同来源污泥、不同混合比及其与生物质或煤混合燃烧特性进行了研究.Font等(2001)分析比较了7种污泥的热重曲线,指出具有不同理化性质的污泥其燃烧热重曲线差异较大.温俊明等(2004)从污泥的TG-DTG曲线出发,得出了由3个独立的、连续的平行反应组成的动力学模型.刘亮等(2006)得出城市污泥与煤掺烧比为50%时,低温段反应特性类似于污泥,在高温段类似于煤.Xie和Ma(2013)将造纸污泥与秸秆混合燃烧发现它们之间存在显著相互促燃作用.冉景煜等(2008)和刘敬勇等(2009)发现碱土金属含量和类别对污泥的燃烧性能影响显著,并且碱土金属对污泥燃烧有一定的催化作用.曾佳俊等(2015)发现在污泥燃烧过程中加入FeCl3/CaO后可以提高污泥的燃烧性能.万嘉瑜等(2010)发现随着O2浓度增大,污泥的综合燃烧性能有提高的趋势.目前的污泥混燃研究主要集中于污泥与煤或者生物质混燃,而针对工业污泥如印染污泥与其他不同来源污泥的混燃特性研究报道不多.
在以往的研究中,污泥燃烧过程中常把污泥热分解和燃烧直接假定为简单反应,如一级反应,通过预先设定反应机理模型进行数值拟合,或者对高低温分别进行拟合.事实上,污泥的热解、燃烧过程中,灰分、挥发分的成分都比较复杂.挥发分的析出、氧气的扩散、化学反应速率随温度的变化,其燃烧过程不断从动力区向扩散区进行转换,而且,氧气向内部扩散与产物气体向外扩散又相互阻碍,因此,简单的假设往往掩盖了反应过程复杂性和机理.另外,我国各类污泥中有机质含量具有较大差异(马学文等,2011),导致不同来源污泥燃烧性能差别较大.其中印染污泥的产量大、难降解有机物多、危害严重,其最终处置已得到关注.Liang等(2013)采集了珠三角9个不同印染厂污泥,发现印染污泥中Cu/Zn超标严重;宁寻安等(2012)发现印染污泥掺烧木屑可以提高其混燃特性.另外,印染污泥具有较高含量的有机质和碱土金属,但其对改善印染污泥与其他污泥混合的燃烧特性影响尚不明确.针对上述情况,本文利用热重法对印染污泥、不同来源混合污泥,在不同掺烧比例、不同焚烧气氛及不同升温速率条件下进行了系统的热重实验研究,获得不同条件下印染污泥混燃的着火、燃尽、综合燃烧特性参数和混燃动力学参数,有助于进一步掌握印染污泥混燃过程,以期为污泥掺烧设备的优化设计、运行以及燃烧工况的组织提供指导.
2材料与方法
2.1实验装置和实验条件
实验采用德国耐弛公司综合热分析仪(STA409PC),可获得试样的热重TG-DTG曲线,主要技术数据如下:
热天平精度1μg;最大试样量1000mg;温度范围为室温~1400℃;载气流量为100mL·min-1;样品粒度小于200目,按要求混合均匀后取样;升温速率为10、20、30℃·min-1;试样质量10mg左右;实验氛围为空气及富氧(CO2/O2混合)气氛.为了减小实验误差,从同批次样品中抽取1个样品进行3次重复实验进行数据监控.
2.2试样
实验中所用的污泥取自广东不同来源4类污泥,分别是印染污泥(YR)、造纸污泥(ZZ)和市政污水污泥(KFQ、LJ),煤粉为我国某典型动力煤样.污泥样品提前在恒温烘干箱内于105℃干燥24h,经过研磨、筛分,粒径小于200目.实验所采用的污泥及煤的元素分析、工业分析见表1.
表1污泥的工业分析和元素分析
3污泥燃烧特性分析与综合评价
3.1污泥燃烧特性分析
3.1.1单一污泥燃烧TG-DTG曲线分析
图1为4种污泥在升温速率为20℃·min-1、燃烧气氛为空气条件下的TG-DTG曲线.单一污泥燃烧过程可以划分为4个阶段(图中虚线区分开):
自由水和结合水的析出过程(约为室温~125℃)、挥发分的析出和燃烧(125~650℃)、固定碳的燃烧(650~830℃)、残留物的燃烧和分解(830~1000℃).在挥发分的析出和燃烧阶段,各污泥的失重率在41%~65%之间,固定碳的燃烧阶段,YR、LJ、KFQ污泥失重较少,分别为2.31%,1.18%和1.05%,而ZZ污泥的达到了16.79%.说明YR、KFQ、LJ污泥的燃烧过程主要受挥发分的析出和燃烧控制,而ZZ污泥的还包括高温阶段固定碳的燃烧.可见,不同来源的单一污泥燃烧特征与污泥的理化性质有较大关联(Fontetal.,2001).
图14种污泥的TG和DTG曲线
3.1.2印染污泥与其他3种不同来源污泥混燃特性分析
印染(YR)污泥与造纸污泥(ZZ)、市政污泥(LJ、KFQ)的混燃曲线见图2.印染污泥与其他3类污泥按照不同比例混合后,混合试样的热重曲线基本位于两种单一污泥试样之间,并且单一试样热重曲线的各燃烧峰在混合试样的热重曲线上有所体现,尤其在DTG曲线中可以明显看出,并且呈现规律性变化,表明不同污泥混合基本保持各自的燃烧特性(顾利锋等,2003).从DTG曲线可以看出,印染污泥添加其他污泥后,混合试样的挥发分析出峰普遍向下延伸,且在YR污泥中添加KFQ污泥混合燃烧时的挥发分析出峰同时向左偏移,说明其他污泥的加入有利于印染污泥的燃烧.值得注意的是,YR污泥与ZZ污泥混合燃烧时在第2个挥发分失重峰值(400~550℃)比单一污泥更大,表明YR污泥与ZZ污泥之间产生了强烈的相互作用,这可能与两类污泥本身矿质元素间的催化作用有关(殷立宝等,2014;刘敬勇等,2009).
图2YR与ZZ、KFQ、LJ混合前后污泥燃烧的TG和DTG曲线(a.YR与ZZ污泥混燃,b.YR与KFQ污泥混燃,c.YR与LJ污泥混燃)
3.1.3YR污泥与煤混燃特性分析
图3为印染污泥YR与煤混燃TG-DTG曲线.YR污泥混煤燃烧和单一YR污泥燃烧的最大失重速率分别为0.949mg·min-1、0.334mg·min-1,但所对应Tmax分别为555.1℃和222.6℃,说明在印染污泥中加入煤可以提高燃烧强度,但会使燃烧向高温区偏移.在室温~500℃时,煤、混合样品、YR污泥的DTG曲线基本呈线性关系,表明前期YR污泥与煤相互作用较弱,这可能是由于YR污泥与煤的挥发分析出温度区间不一致.在后期YR污泥混煤燃烧的DTG曲线在YR污泥和煤的曲线之间,但并不呈线性变化,这主要是由于污泥与煤的物化性质不同.
图3YR污泥与煤混合前后污泥燃烧的TG和DTG曲线
3.1.4富氧燃烧对YR污泥燃烧特性的影响
由于燃烧过程取决于反应温度、挥发分的析出和氧气的扩散速率,因此将YR污泥在不同氧气气氛下进行热重研究(廖艳芬和马晓茜,2009).图4为空气气氛和O2/CO2气氛燃烧条件下印染污泥YR的TG-DTG热重曲线.在300℃之前,不同氧气浓度的TG曲线基本重合,表明氧气浓度对YR污泥燃烧前的干燥和燃烧前期挥发分的析出影响较小.当温度超过300℃后,由于不同浓度氧气的扩散速率不同,试样在富氧燃烧时更剧烈,失重更迅速,表现为挥发分第一失重峰更陡,最大失重速率更大.当燃烧处于固定碳的燃烧、残留物的燃烧和分解阶段时,富氧条件下的燃烧更剧烈,但由于固定碳含量较低(表1),失重峰并不明显.
图4YR污泥在空气气氛和富氧燃烧的TG和DTG曲线
3.1.5升温速率对于燃烧特性的影响
不同升温速率(10、20、30℃·min-1)条件下印染污泥YR的燃烧特性见图5.不同升温速率对污泥燃烧有明显的影响,随升温速率的升高,DTG向高温区移动,DTG曲线峰值增大,燃烧区间变宽,燃烧失重速率变大,燃烧更剧烈.可见,升温速率越高,反应进行得越快,有机物分解得越快.但是污泥中有机质分解需要一定时间,当升温速率增加时,影响到试样之间和试样内外层之间的传热温差和温度梯度,部分产物来不及挥发而产生滞后现象,致使曲线向高温一侧移动.
图5不同升温速率下YR污泥燃烧的TG和DTG曲线
3.2污泥燃烧性能综合评价
3.2.1着火特性分析
着火点是燃料着火性能的主要指标,着火点越低,表明燃料的着火性能越好.本文采用TG-DTG方法(聂其红等,2001)来确定着火点(着火点数据Ti如表2所示).由于污泥中的挥发分含量很高,而比较难燃尽的固定碳的比重相当小,因此污泥易着火燃烧,着火点相对较低.本实验所采用污泥的着火点在228~285℃之间.就单一污泥而言,YR污泥的着火点最低,其次为LJ和KFQ,而ZZ污泥最高.ZZ污泥着火点最高说明着火点不仅取决于挥发分总的含量,还取决于污泥中挥发分的成分及其含量(李玉忠等,2014;XieandMa,2013)而KFQ污泥的着火点较低且燃烧较完全,是由于KFQ污泥挥发分析出量多,且析出温度较低(张全国和卢志广,1991;张全国等,1993).而ZZ污泥的挥发分初析温度和着火点较高,但燃烧剧烈,DTGmax达到0.69mg·min-1,可能与其碳的存在形式有关.
表2实验污泥的燃尽指数
混合试样中各组分含量相差不大时,混合试样在一定比例下的着火点可能同时高于两种组分的着火点(YR污泥混合LJ污泥),或同时低于两种组分的着火点(YR污泥混合KFQ污泥),这可能是由于不同污泥混合后相互粘附于表面,改变了颗粒间的孔隙率,或污泥中过高的灰分与过多不可燃元素的增加阻碍了挥发分的析出(胡勤海等,2008).如果各组分成分及含量相差较大,则混合试样着火点明显随混合比例变化而偏向含量增多组分的着火点(YR污泥混合ZZ污泥).这也说明,在混合污泥着火过程中,各单一污泥基本保持各自的着火特性.另外,YR污泥在富氧燃烧条件下其着火点变低,表明富氧条件更利于YR燃烧.
3.2.2燃尽指数
燃尽特性是表征可燃物燃烧性能的一个重要指标,用燃尽指数Cb(聂其红等,2001)来描述工业污泥的燃尽特性,可定义如下:
式中,f1为TG曲线上着火点对应的试样失重量与试样中可燃质含量的比值;将试样燃烧失重从开始到燃烧98%可燃质的时间定义为燃尽时间τ0,τ0时刻所对应的试样失重量与试样中可燃质含量的比值定义为总燃尽率f,则后期燃尽率f2=f-f1.其中,f1反映了挥发分相对含量、污泥着火特性的影响,f1越大,污泥可燃性越佳;f2反映了污泥中碳的燃尽性能,与含碳量、碳的存在形态等特性有关,f2越大,污泥的燃尽性能越佳.由表2可以看出,LJ污泥的燃尽性能最佳,YR污泥的次之,而ZZ污泥燃尽性能最差,这可能与污泥中
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