污泥和煤混燒特性的熱重分析法研究

第26卷第5期環(huán)境科學(xué)學(xué)報Vol 26. No 52006年5月Acta Scientiae CircumstantiaeMay,2006劉亮,李錄平,周孑民,等,2006,污泥和煤混燒特性的熱重分析法研究[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報,26(5):835-839Liu L, Li L P, Zou J M, et al. 2006. Investigation on the co-combustion characteristics of coal and sewage sludge by thermogravimetric analysis[ J].Actacientiae Circumstantiae, 26(5): 835-839污泥和煤混燒特性的熱重分析法研究劉亮2,李錄平2,周子民1,那曉忠2,閆宏杰1.中南大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院,長(cháng)沙4100782,長(cháng)沙理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,長(cháng)沙410076收稿日期:2005-11-22修回日期:2006-04-24錄用日期:2006-0424摘要:為了解城市污泥和煤粉混燒的燃燒規律,利用熱重分析法對蘭壩煤粉和某城市污泥及兩試樣混合物的燃燒特性進(jìn)行了研究實(shí)驗結果表明,在加熱速度20℃min1、20-1200℃的溫度范圍內,污泥的熱重曲線(xiàn)存在2個(gè)明顯的失重區域在混燃過(guò)程中,煤和城市污泥基本上保持了各自的揮發(fā)分析出特性,混合試樣的燃燒曲線(xiàn)處于污泥和煤粉燃燒曲線(xiàn)之間對實(shí)驗數據進(jìn)行分析處理,得到了反應動(dòng)力學(xué)參數活化能E和頻率因子A.在摻混比例較小時(shí)(污泥質(zhì)量分數為20%)對煤的活性幾乎沒(méi)有什么影響;而摻混比例較大時(shí)(污泥質(zhì)量分數為50%80%),存在2個(gè)反應區間,在第一溫度段(大約<430℃)混合試樣的反應特性類(lèi)似于污泥,而在高溫區段(6>430℃)混合試樣的燃燒特性則類(lèi)似于煤關(guān)鍵詞:燃燒;煤泥混合物;熱重分析法;實(shí)驗研究文章編號:0253-2468(2006)05-083505中圖分類(lèi)號:X703文獻標識碼:AInvestigation on the co-combustion characteristics of coal and sewage sludge bythermogravimetric analysisLIU Liang,, LI Luping, ZoU Jiemin, YAN Xiaozhong, YAN HongjieSchool of Energy Science and Engineering, Central South University, Changsha 410078School of Energy and Power Engineering, Changsha University of Science Technology, Changsha 410076Received 22 November 2005;received in revised form 24 April 2006accepted 24 April 2006Abstract: An experimental investigation on the combustion characteristics of the blends of Lanba's coal and Changsha's sewage sludge is conducted byith a ramp of 20Cmin-Iwithin the temperature range 20 -1200C. The investigation reveals that there are obviously twotemperature zones where sludge weight loses promptly. Although the sludge- coal blends exhibit a transitional behavior from that by sludge to that by coethe sewage sludge and coal have basically maintained their own devolatilisation characteristics respectively during the pyrolysis. The reactive kineticsparameters E and A were obtained through the experimental data processing. The experimental results show that, the reactivity of the blend with 20 wtof the sludge, is similar to that of the parent coal. However, there are two temperature zones with obviously different reactivity for the blendswt% and 80 wt. of the sludge respectively. In the lower temperature zone( less than 430C), the reactivity of the blend is similar to that of the sludgeand, in the higher temperature zone( greater than 430C), the reactivity of the blend is close to that of the parent coalKeywords: combustion; sewage sludge-coal blends; thermogravimetry: experimental investigation1前言( Introduction)值,是一種有效的污泥處理方法,然而,這種處理方法也存在可能加大NO,和痕量元素排放等缺點(diǎn)污泥的焚燒處理技術(shù)包括污泥焚燒或與煤混( Werther et al.,1999; Spliethoff et al.,198).燒,可使污泥減容、穩定化和無(wú)害化( Calvo et al由于污泥的揮發(fā)分、灰分及固定碳等技術(shù)特性2004;王紅等,1999; Werther et al.,1999;指標跟煤不同,燃燒過(guò)程就會(huì )明顯有別于煤粉.因Nadziakiewicz et al.,2003),并能回收污泥中的熱此需要分析污泥及其與煤混燒的特性,掌握污泥的基金項目:湖南省自然科學(xué)基金資助項目(No.03JY5028)中國煤化工Supported by the Hunan Provincial Natural Science Foundation of China(No, 03JJY作者藺介:劉亮(1967-),男,副教授,Emal: luliang@ crust. edu,cm;*通訊什CNMHGBiography:LIULiang(1967--),male,associateprofessor,E-mail:liuliang@csust.edu.cn;Correspondingauthor環(huán)境科學(xué)學(xué)報燃燒條件,以便為城市污泥的最終處理尋求一條經(jīng)高溫電爐為長(cháng)沙實(shí)驗電爐廠(chǎng)生產(chǎn)SX2-16-13型電阻濟合理的途徑爐.熱重分析采用北京光學(xué)儀器廠(chǎng)生產(chǎn)的WCT2型熱重分析是用于研究固體化學(xué)反應特性的重熱天平.熱重分析中采用5mm(直徑)x1.5mm氧要方法,它廣泛的應用于固體反應特性的研究(姜化鋁坩堝測試條件為:升溫速率為20℃min1,秀民等,2002;劉彥等,2004).國內外有很多學(xué)者采樣質(zhì)量(10.0±0.1)mg,試驗測溫范圍為20℃用熱重分析法對不同類(lèi)型污泥及其與煤混燒進(jìn)行1200℃,在空氣介質(zhì)中進(jìn)行實(shí)驗了研究,Font等人分析比較了7種污泥的熱重曲線(xiàn),熱重曲線(xiàn),3實(shí)驗結果( Results)指出具有不同理化性質(zhì)的污泥在燃燒過(guò)程中表現出很大的差異( Font et al.,2001).Oeo等人分析3.1基本特性分析了3種不同類(lèi)型污泥的燃燒過(guò)程,并對它們與煤混表1為5種試樣的工業(yè)分析結果,由表1可以燒時(shí)燃燒特性參數的變化規律進(jìn)行了研究( Otero et發(fā)現,試驗選取的污泥揮發(fā)分質(zhì)量分數高達al.,2002).浙江大學(xué)的溫俊明等人從污泥的熱重3823%,灰分質(zhì)量分數54.09%,而固定碳質(zhì)量分分析曲線(xiàn)出發(fā),得出了由3個(gè)獨立的連續的平行反數僅為288%,具有典型的高揮發(fā)分、高灰分和低應組成的動(dòng)力學(xué)模型,求出了熱解動(dòng)力學(xué)參數和方固定碳含量的特點(diǎn)試驗所用的蘭壩煤粉的揮發(fā)分程(溫俊明等,2004).東南大學(xué)顧利鋒等人對污泥質(zhì)量分數為20.32%,灰分質(zhì)量分數為31.39%,但同煤混燃過(guò)程綜合燃燒特性參數進(jìn)行了研究,發(fā)現固定碳質(zhì)量分數高達46.29%混合燃燒過(guò)程中,煤和污泥基本上保持各自的揮發(fā)表1試樣的工業(yè)分析分析出特性(顧利鋒等,2003).華中科技大學(xué)的蘇Table 1 Proximate analysis for Sewage sludge勝等人卻發(fā)現污泥和煤混燒特性從總體上表現為試樣污泥質(zhì)量分揮發(fā)分固定碳污泥與煤共同作用的結果(蘇勝等,2004).然而,對分數g(M。)(A(V,d)(FC.d于污泥與煤混合燃燒時(shí),摻混比例對混合物燃燒特蘭壩煤粉02.00%31.39%20.32%46.29%混合試樣20%2.69%34.66%23,04%39.61%性的研究報道相對較少本文主要是利用熱重分析法研究蘭壩煤粉和混合試樣50%3.45%39.26%28.31%28.98%長(cháng)沙污水處理廠(chǎng)的污泥及其混合物的燃燒熱解特混合試樣80%4.38%47.77%35.02%12.83%污泥4.89%54.09%38.23%2.88%性,評估各組分之間的相互作用,并且通過(guò)實(shí)驗數據求出這些試樣的動(dòng)力學(xué)參數,得到摻混比例對混3.2燃燒性能分析合物燃燒特性的影響,以期為城市污泥摻混煤粉燃圖1為污泥、蘭壩煤及其混合試樣燃燒的TG燒、焚燒設備的運行及燃燒工況的組織提供指導和DTG曲線(xiàn),通過(guò)比較可以發(fā)現,蘭壩煤顯示出典2樣品采集與研究方法( Sampling and methods)型的煙煤燃燒特性曲線(xiàn),在390~685℃的溫度范圍內可觀(guān)察到與固定碳燃燒過(guò)程相對應的明顯的失2.1實(shí)驗樣品重過(guò)程,在566℃時(shí)存在最大的失重率,而觀(guān)察不到實(shí)驗所用污泥采自長(cháng)沙市某污水處理廠(chǎng)的脫明顯的揮發(fā)分燃燒過(guò)程,與有關(guān)文獻中的報道類(lèi)似水車(chē)間將污泥自然干燥7d后,放人恒溫箱內,在( varey et al.,1998),這可能既是碳氣化也是揮發(fā)100℃條件下干燥3h,碾磨后過(guò)150目篩試驗煤樣分釋放的綜合行為在污泥的熱重分析曲線(xiàn)有3個(gè)為蘭壩煤粉煤樣為空氣干燥基過(guò)150目篩實(shí)驗比較明顯的失重區域,其中215-430℃和430試樣為污泥、蘭壩煤粉和它們之間3種不同比例的712℃兩個(gè)溫度段可理解為是揮發(fā)分的燃燒過(guò)程,而混合試樣混合試樣中污泥質(zhì)量分數分別為20%、712-805℃的溫度段則對應的是固定碳的燃燒過(guò)50%和80%程.在第一個(gè)溫度階段215~430℃,失重大約達到2.2實(shí)驗方法整個(gè)失重的57%;在430~712℃溫度段失重達到按文獻(金維強,199中的工業(yè)分析方法對試40%V凵中國煤化工很多的小峰相互重驗樣品進(jìn)行工業(yè)分析,所用分析天平為湘儀天平儀疊,但CNMHG器廠(chǎng)生產(chǎn)的AEL200型電子分析天平,電熱風(fēng)箱為此可見(jiàn),污泥的燃燒過(guò)程與煤粉的燃燒過(guò)程長(cháng)沙儀器儀表廠(chǎng)生產(chǎn)的FN101-2A型鼓風(fēng)干燥箱、有著(zhù)較大不同,煤粉的燃燒過(guò)程中起主要作用的是5期劉亮等:污泥和煤混燒特性的熱重分析法研究837固定碳的燃燒,而污泥在燃燒過(guò)程中,其高揮發(fā)分的析出和燃燒起主要作用dr=kf(a)=de f(a)(1)式中,a為試樣熱解過(guò)程中消耗的量,A為頻率因子,E為活化能,R為氣體常數,7為反應溫度,f(a)(wne=20%)為與熱解機理相關(guān)的函數經(jīng)過(guò)整理得:叫(:1=F+m(4)(2)式(2)中,n[x①門(mén)]與1T成線(xiàn)性關(guān)系從給定的的知物知伽加知miTG曲線(xiàn)上取若干個(gè)點(diǎn)(m(],1/m)經(jīng)最小二乘法回歸可得一線(xiàn)性方程:Y=a+bX.根據熱重曲b DIG90%A:限高租數分進(jìn)青處要秀限等為圖280%為各試樣試驗數據點(diǎn)及由其擬合的直線(xiàn),由各直線(xiàn)的斜率可求出反應的活化能E,由截距可求出頻率因子A.經(jīng)過(guò)擬合計算得出的各試樣的動(dòng)力學(xué)參數見(jiàn)表2.表2中煤粉試樣及污泥質(zhì)量分數為20%的%-mom如"msmm如混合試樣,由于在第一溫度區(低溫段)內最大失重率及失重量較小,活化能及頻率因子可忽略不計圖1試樣熱分析TG和DTG曲線(xiàn)一煤粉Fig. 1 Pyrolysis TG and DTG curves for coal, sludge andtheir blends混排:混合試樣的燃燒曲線(xiàn)基本上位于污泥和煤粉燃燒曲線(xiàn)之中,且存在2個(gè)失重峰,曲線(xiàn)形狀視各試第二福度區樣的含量不同而稍有差別.在第一溫度區間內(215第一溫度區430℃),混合試樣的最大失重率與煤粉相比稍有10l12i1415161718上升,而在第二溫度區間則有所下降.當污泥的摻r"104K)燒量很小(質(zhì)量分數僅為20%)時(shí),這一現象變化不大,仍與煤相似.但當污泥的摻燒量達到50%和圖2試樣的動(dòng)力學(xué)參數求解圖Fig. 2 Arhenius plots for the pyrolysis of coal, sludge and80%時(shí),由于混合燃料中污泥揮發(fā)分的大量析出和their blends燃燒,一方面加速了失重過(guò)程(表現為該溫度段最大失重速率的增大),另一方面析出的揮發(fā)分燃燒由表2中的數據可以看出,煤的活性明顯比污又迅速消耗了大量的氧氣,從而使DTG曲線(xiàn)在第泥的活性小,活化能較大污泥存在2個(gè)失重峰,可溫度區間內,出現了明顯的失重峰,這與純污泥在能是由于析出的揮發(fā)分成分不一樣,因而化學(xué)鍵的該溫度段的性質(zhì)相似.而在第二溫度區間內,隨著(zhù)強弱不一致,因此兩區段(215~430℃和430污泥的摻混比例的增加,失重率開(kāi)始下降.由這一712℃兩個(gè)溫度段)的活性不同,活化能也存在現象也可以看出,污泥所占比重和揮發(fā)分的析出對差別混合燃料的著(zhù)火燃燒有較大影響事實(shí)上,在煤中摻燒一定比例的污泥也會(huì )引起33試樣的動(dòng)力學(xué)分析混合中國煤化工2和圖2).在煤中每個(gè)試樣的熱解實(shí)驗可以認為是一系列揮發(fā)摻燒CNMH(的活性沒(méi)什么影分釋放、燃燒的綜合行為,它們的活化能符合以下響或者說(shuō)影響不大,從圖2、表2中可以看出,污泥動(dòng)力學(xué)方程(劉振海,2000陳鏡泓等,1985):質(zhì)量分數為20%的混合試樣,其試驗曲線(xiàn)與煤粉是838環(huán)境科學(xué)學(xué)報26卷相當接近或類(lèi)似的,而且試驗數據也相差不大(活其他研究者也得出過(guò)類(lèi)似的結論( Folgueras et ai化能分別是83.3175 kJ mol、82.2054 kJ. mol-).2003;2005表2試樣的動(dòng)力學(xué)參數Table 2 Kinetic parameters for pyrolysis of coal, sludge and their blends第一溫度區間第二溫度區間污泥質(zhì)量E/試樣分數wn(A/s-1)可決系數相伴概率樣本量E/可決系數相伴概率樣本量n(A/s-1)蘭壩煤粉83.31758.915490.9963<0.0001混合試樣82.20548.859790.99513<0.000114混合試樣50%29.5251.117960.93769<0.0018768.3936.835820.98091<0.0001混合試樣80%37.2173.623280.98276<0.0001850.4884.173930.98878<0.000110污泥100%41.784.771910.97396<0.0002146.3773.585110.98932<0.0001對于污泥質(zhì)量分數為50%的混合試樣,在第一基本上不會(huì )相互影響,揮發(fā)分的釋放過(guò)程可以認為溫度區段(210~430℃),混合試樣的熱解反應受摻是兩母試樣揮發(fā)分釋放的總和;混合試樣的燃燒曲混煤的影響,其擬合直線(xiàn)同純污泥試樣的擬合直線(xiàn)線(xiàn)基本上位于污泥和煤粉燃燒曲線(xiàn)之間不同(圖2),活化性能也有區別(見(jiàn)表2).而3)在煤中摻燒較少的污泥(如污泥質(zhì)量分數為eras等認為,在第一溫度區間內,混合試樣的20%)對煤的活性影響不大;對于污泥質(zhì)量分數為熱解主要是由90%污泥和10%煤粉的熱解組成,其50%的混合試樣,在第一溫度區間內,混合試樣的熱試樣活化性能區別不大( Folgueras et al.,2003),這解燃燒過(guò)程同污泥的熱解燃燒過(guò)程有區別,其活化可能與試樣的組成成分有關(guān),原因還有待進(jìn)一步研性能不同;在第二溫度區段(約430~712℃)低溫部究在第二溫度區段(約430~712℃),即失重主峰,分,混合試樣的活性處于污泥和煤粉之間,而在高在峰前低溫部分,混合試樣的活性處于污泥和煤粉溫部分混合試樣的活性越來(lái)越接近于煤的活性;至之間,這與2種單煤混合燃燒的燃燒特性相類(lèi)似,即于摻混80%污泥的試樣,由于混合試樣中污泥比例混煤的燃燒特性界于組分煤種之間(李永華等,增多,其總體性能更接近于污泥熱解特性2002);而在峰后高溫部分混合試樣的活性越來(lái)越4)隨著(zhù)污泥中摻混煤粉的比例增加,第一溫度接近于煤的活性(圖2),此時(shí),由于溫度較高煤和段的活化能反而減少.這可能與污泥中揮發(fā)分中含污泥的揮發(fā)分均會(huì )有所釋放有過(guò)多的不可燃元素成分有關(guān),還有待進(jìn)一步研究至于污泥質(zhì)量分數為80%混合試樣,由于混合試樣中污泥比例增多,其總體性能更接近于污泥熱References解特性(圖2),但其活化能在第一溫度段卻比污泥 Calvo L F, Otero M, Jenkins B M,a.2004. Heating process小(表2)從表2還可看出,隨著(zhù)污泥中摻混煤粉的characteristics and kinetics of sewage sludge in different atmospher比例增加,第一溫度段的活化能反而減少.這可能mochimica Acta. 409, 127-135與污泥中揮發(fā)分中含有過(guò)多的不可燃元素成分有hen JH, Li C R. 1985. Heat Analysis and Application[ M]. Beijingience Press. 120-121( in Chines關(guān)(顧利鋒等,2003),它們在熱解過(guò)程開(kāi)始階段釋 Folgueras M B, Diaz R M, Xiberta J.2005 Pyrolysis of blends of放失重明顯,因而影響試樣的活性,具體情況還有different types of sewage sludge with one bituminous coal[J]待進(jìn)一步研究Folgueras M B, Diaz R M, Xiberta J, et aL. 2003. Thermogravimetrie4結論( Conclusions)he co-combustion of coal and sewage sludge[ J]. Fuel1)煤和污泥具有不同的性質(zhì),因而具有不同的中國煤化工FontDTG曲線(xiàn)形式,污泥的熱重曲線(xiàn)存在2個(gè)明顯的失CNMHG. Analysis of the pyrolysisainerent sewage stages by TG[J]. Jourmal of重區域2)在混合試樣的熱解燃燒過(guò)程中,兩組分之間cuLF, Chen x p, Zhao S,ma.200. Study of the Characteristics5期劉亮等:污泥和煤混燒特性的熱重分析法研究839of Mixed Burning of Municipal Sewage Sludge and Coal by aand macerals [J]. Fuel, 75: 165Thermogravimetric Method[ J]. 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