污泥水煤浆的燃烧固硫试验研究

浙江大学学报(理学版第37卷第4期Journal of Zhejiang University( Science Edit37No,42010年7月http://www.journalszju.educn/sciayDOI:10.3785/j,issn.1008-9497.2010.04.022污泥水煤浆的燃烧固硫试验研究胡勤海,朱建航,王丹,孟媛媛,武丽丽,罗彦章(浙江大学环境与资源学院,浙江杭州310029)摘要:在管式固定床上进行了污泥水煤浆的燃烧试验,着重研究了燃烧温度、Ca/S摩尔比和固硫剂种类等因素对污泥水煤浆燃烧固硫的影吻,结果表明:随着燃烧溫度的上升,污泥水煤浆的固硫車先升高后降低,在850℃时污泥水煤浆的圃硫率明显高于其他燃烧温度条件下的国硫率.随着Ca/S摩尔比的增加,污泥水煤浆的国硫率呈明显的上升趋势,但是Ca/S摩尔比从1.5增加到2.0时,其固硫率上升趋于平蝮,综合考虑经济性因素,污泥水煤浆燃烧国硫的优化钙硫摩尔比应为1.5.污泥水煤浆燃烧时SOh析出规律与Ca(OH)2的分解规律相对比较一致,因此,Ca(OH)2的固硫效果优于CaCO3.试验为污泥水煤浆的工业化应用提供了理论基础,关镳词:污泥;水煤浆;固硫;燃烧中图分类号:X705文赋标志码:A文章编号:10089497(2010)04-46704HU Qinhai, ZHU JianhANG Dan, MENG Yuan-yuan, WU Li-li, LUO Yan-zhang(School of environmental and Resource, Zhejiang University, Hangzhou 310029, China)Experimental study on combustion desulfurization of sludge coal water slurry. Journal of Zhejiang University( ScienceEdition),2010,37(4):467—470Abstract: Tests of combustion of sludge coal water slurry(S-CWS)were conducted in a fixed bed oven. Effects ofcombustion temperature, Ca/S molar ratio and desulfurizer kinds on desulfurization rate were investigated. Resultsshowed that when combustion temperature was raised, desulfurization rate increased at first and then decreased, anddesulfurization rate at the temperature of 850 C obviously was higher than that at other temperatures, With theincrease of Ca/S molar ratio, desulfurization rate increased obviously. However, desulfurization rate increased relatively slowly when Ca/S molar ratio increased from 1. 5 to 2. 0. The optimum Ca/S molar ratio of sludge coal waterslurry (S-CwS)should be 1. 5 when economic factor is taken into consideration. The desulfurization effect ofCa(OH), is better than that of CaCO, because the emission characteristics of So, is consistent with the decomposition pattern of Ca(OH)t, The test provides a solid basis for the industrial application of sludge coal water slurry.Key Words: sludge; coal water slurry(CWS); desulfurization; combustion随着污水处理设施的普及和处理程度的深化,他辅助燃料混烧的方式进行污泥的焚烧处理,相城市污水处理厂的污泥产量逐年迅速增长,如何妥对较高的投资和操作费用在一定程度上限制了污泥善处置这些污泥已成为全球共同关注的课题.相焚烧的应用关学者对各种污泥处理技术展开了广泛的研相关学者对利用石油焦或造纸黑液掺制水煤浆究2-.污泥的焚烧处置具有减量化、无害化、资源以利用低品位能源和处理废弃物展开了广泛的研化等显著优点,在欧美及日本等许多国家得到迅速究,并取得了较大的成果”.笔者根据污泥含水率发展-η,但机械脱水污泥含水率高,热值较低,高的特点和水煤浆的理化特性,提出了基于水煤浆般无法单独稳定燃烧因此通常采用污泥与煤或其技术中国煤化工污泥掺入煤粉中CNMHG收稿日期:20090915基金项目:浙江省科技厅科研项目(No.2007C23032)作者简介:胡勤海(1962-),男,副教授,博士,主要从事固体废弃物资源化方面的研究浙江大学学报(理学版)第37卷研磨制成污泥水煤浆根据笔者对污泥水煤浆成浆入空气使其燃烧.并开启烟气分析仪对烟气中的性及燃烧动力学特性的研究发现,当污泥质量掺混SO2等气体成分进行分析.到达给定燃烧时间后,停比例不高于10%时,污泥水煤浆的物理特性和热力止加热,并将瓷舟取出置于干燥皿中冷却至常温学特性符合国家《水煤浆技术条件》(GB/T188552002)标准0,本文在上述研究的基础上,进一步研2结果与讨论究污泥水煤浆的燃烧固硫特性,为污泥水煤浆技术的工业化应用提供参考依据2.1燃烧温度对污泥水煤浆燃烧固硫的影响般而言,在煤粉燃烧过程中,随着燃烧温度的1试验部分升高,其固硫率有所上升.但当燃烧温度超过1000℃时,CaO容易发生烧结现象,使其活性下降,固硫试验物料率降低.若燃烧温度高于1200℃,则生成的硫酸试验所用污泥水煤浆由山东微山煤,以及杭州钙开始大量分解,固硫率进一步降低.因此,煤粉四堡污水处理厂的中温消化污泥和杭州七格污水处燃烧固硫存在一个最佳的燃烧温度.水煤浆中含理厂的二沉池脱水污泥等按9:1质量比根据湿法有30%左右的水分,燃烧温度比煤粉低200℃左制浆工艺而制成所制得污泥水煤浆分别简称为四右,从而减少了固硫剂的烧结有利于提高水煤浆堡污泥水煤浆( SB SCWS)和七格污泥水煤浆(QG的燃烧固硫率SCWS).四堡污泥水煤浆和七格污泥水煤浆的工污泥水煤浆燃烧固硫试验结果如图2~图5所业分析及硫含量如表1所示,由表可见四堡污泥水示其中,图2和3为添加固硫剂CaCO3时,燃烧温煤浆的灰分略高于七格污泥水煤浆,而七格污泥水度和钙硫摩尔比对四堡和七格污泥水煤浆燃烧固硫煤浆的固定碳含量略高于四堡污泥水煤浆率的影响图4和5为添加固硫剂Ca(OH)2时,燃表1污泥水煤浆的工业分析及硫含量烧温度和钙硫摩尔比对四堡和七格污泥水煤浆燃烧Table 1 Proximate analysis of sludge coal water slurry固硫率的影响.燃烧温度是影响污泥水煤浆燃烧固硫的一个重要因素.由图可见,随着燃烧温度从800工业分析/,adM,kg")硫分℃上升至950℃,污泥水煤浆的燃烧固硫率呈现出试样水分灰分挥发份固定碳热值S/明显的先升高后降低的趋势,而且850℃时污泥水M/% A/% V/% Fc/% Qnet nd煤浆的燃烧固硫率明显高于其他燃烧温度条件下的微山煤6.2310.7931.6153.9320.8120.75燃烧固硫率.如四堡污泥水煤浆添加碳酸钙固硫剂四堡污泥5.257.3137.255.447.081.53七格污泥5.0155.4337.512.059.021.52且Ca/S比为2时,在850℃时其固硫率达到了5506%,而在800、900、950℃时,其固硫率均在45%1.2试验装置左右.究其原因,钙基固硫剂受热分解产生CaO实验在水平管式固定床上进行,如图1所示,整度过低不利于钙基固硫剂的分解温度过高又会导套实验装置由热电偶、加热器、瓷舟、推杆、流量计气瓶、烟气分析仪和控制面版等部分组成管式固定致固硫剂因烧结而失去活性以及脱硫产物的分解床温度调节范围为室温~1000℃,有效加热段为800℃固硫剂CaCO300mm.实验时每次精确称取0.5000g燃料于瓷舟中.在固定床达到设定温度后把瓷舟推入中央,通数据采集流量计同旧CaS=0 CaS=1 Ca/s=1.5 Ca/s=2M凵中国煤化工堡污泥水煤浆N固定床反应器烟气分析仪CNMHG图1固定床燃烧试验装置fect of combustion temperature and Ca/sFig. 1 The combustion test device of fixed bed ovenmolar ratio on desulfurization rate of SB S-cwS第4期胡勤海,等:污泥水煤浆的燃烧固硫试验研究固硫剂CaCO钙基固硫剂的基本原理就是通过CaO固体与SO2气体反应生成钙盐而实现固硫的.单纯从化学反应本身来看,增加钙硫摩尔比有利于反应向着固硫反应方向进行,钙硫比越大,CaO与SO2接触机会越多,固硫效果越好.但是当钙硫摩尔比较髙时,随着反应的进行,不仅生成的CaSO4覆盖在CaO表面阻断SO2气体向CaO扩散的通道,而且由于生成的CaSO4体积膨胀,填满CaO内的空隙,阻碍图3燃烧温度和钙硫摩尔比对七格污泥水煤浆SO2向CaO内部扩散因此,当钙硫摩尔比较高时,燃烧固硫影响进一步增加钙硫摩尔比,污泥水煤浆的燃烧固硫率Fig 3 Effect of combustion temperature and Ca/s上升趋于平缓.此外,CaCO3分解是一个吸热反应molar ratio on desulfurization rate of QG S-CWS过量的CaCO3会增加热量损失和恶化污泥水煤浆2.2Ca/S摩尔比对污泥水煤浆燃烧固硫的影响燃烧,甚至可能会影响浆体的雾化燃烧,因此,在本Ca/S摩尔比是影响污泥水煤浆燃烧固硫的另文试验条件下,污泥水煤浆燃烧固硫的最佳钙硫摩个重要因素.由图2-5所示,随着Ca/S摩尔比尔比应该为1.5从0增加到2,污泥水煤浆的燃烧固硫率呈现出先2.3固硫剂种类对污泥水煤浆燃烧固硫的影响显著上升,后趋于平缓的趋势.如七格污泥水煤浆添钙基固硫剂种类对四堡和七格污泥水煤浆燃烧加固硫剂Ca(OH)2且燃烧温度为850℃时,随着固硫率的影响如图6和7所示,由图可见,各工况条a/S摩尔比从0增加到1.5,固硫率从34.9%上升件下,Ca(OH)2的固硫效果略好于CaCO3,如四堡到5.12%,而进一步增加Ca/S摩尔比至2时,固污泥水煤浆燃烧温度为850℃且Ca/S摩尔比为2硫率只上升到58.09%时,Ca(OH)2的固硫率为59.06%,而CaCO3的固固硫剂caOH2硫率为55.06%□CaCO,燃烧温度:850℃so[Ca(OH)Ca/S-0 Ca/S-l Cas=l5 Ca/S=2图4燃烧温度和钙硫摩尔比对四堡污泥水煤浆燃烧固硫的影响Fig 4 Effect of combustion temperature and Ca/s图6固硫剂种类对四堡污泥水煤浆固硫的影响molar ratio on desulfurization rate of SB s-cwsFig 6 Effect of desulfurizer kinds on desulfurization rateof sB s-cws固硫剂Ca(OHcaCO,燃烧温度:850℃5o Ca(OH)Ca/S=0 Ca/S=1 Ca/s-1.5 Ca/S-2中国煤化工图5燃烧温度和钙硫摩尔比对七格污泥水煤浆CNMHGCa/s=2燃烧固硫的影响失对药死乐浆固硫的影响Fig 5 Effect of combustion temperature and Ca/sFig 7 Effect of desulfurizer kinds on desulfurization ratemolar ratio on desulfurization rate of QG S-cwSof QG sCwS470浙江大学学报(理学版)第37卷一般而言,若污泥水煤浆燃烧时SO2析出规律cessing Technology, 2002,75: 55-82.与钙基固硫剂分解规律基本一致即可获得最佳的固3] GUPTA R, GARG VK. Stabilization of primary sew硫效果.污泥水煤浆燃烧时硫分一般在400℃左右age sludge during vermicomposting]. J of Hazardous开始析出,在470~520℃之间SO2的释放量相对Materials,2008,153(3):1023-1030较多,到540℃左右几乎没有硫分析出.碳酸钙在[4] CUI H, NINOMIYA Y, MASUI M, et aL. Funda650℃时开始分解,800℃左右分解最剧烈,到840℃mental behaviors in combustion of raw sewage sludge时基本上全部转化为CaO.而氢氧化钙在390℃开[]. Energy Fuels,2006,20(1)77-83始分解,可以使水煤浆燃烧时低温析出的SO2及时5] SHAO J, LEE D H,YANR,etal. agglomerationcharacteristics of sludge combustion in a bench-scale参与固硫反应.500℃左右时分解最剧烈,到540℃fluidized bed combustor [J]. Energy Fuels, 2007已基本分解完毕.因为Ca(OH)2是边分解边反应,(5):2608-2614不断有新的气孔产生,有利于SO2向Ca(OH)z内[6吴成军,段钰锋,赵长遂,等,循环流化床内污泥与煤混部扩散,另一方面,Ca(OH)2可直接与SO2反应生烧时汞的浓度和形态分布[].动力工程,2008,28(2):成CaSO4.因此,相同条件下Ca(OH)2的固硫率略308-313.高于CaCO3wu Cheng-jun, DUAN Yu-feng, ZHAO Chang-sui3结论lating fluidized beds[J]. J of Power Engineering, 2008,3.1随着燃烧温度的上升,污泥水煤浆的燃烧固硫28(2):308-313率先升高后降低,在850℃时污泥水煤浆的固硫率7] MILLER BB, KANDIYOTI R, DUGWELL D R,et明显高于其他燃烧温度条件下的固硫率al. Trace element behavior during co-combustion of3.2随着Ca/S摩尔比的增加,污泥水煤浆的固硫sewage sludge with Polish coal [J]. Energy Fuels2009,18(4):1093-1103率呈明显的上升趋势,但是Ca/S摩尔比从1.5增[8] XU R F, HE Q H, CAI J, et al. Effects of chemicals加到2.0时,其固硫率上升趋于平缓.综合考虑其他and blending petroleum coke on the properties of low-因素,污泥水煤浆燃烧固硫的最佳钙硫摩尔比应该rank Indonesian coal water mixtures[J]. Fuel Process为1.5Ing Technology, 2008,89: 249-253.3.3污泥水煤浆燃烧时SO2析出规律与Ca(OH)2[9]兰泽全曹欣玉,周俊虎等.黑液水煤浆燃烧固硫特性的分解规律相对比较一致,因此,Ca(OH)2的固硫及机理[冂].化工学报,2008,59(2):484-489效果略好于CaCO3.试验为污泥水煤浆的工业化应LAN Ze-quan, CAo Xin-yu, ZHoU Jun-hu, et aL.提供了理论基础Desulfuration characteristics and mechanism of blackliquor coal slurry[J]. J of Chemical Industry and Engi参考文献( References):neering,2008,59(2):484-489[10]胡勤海熊云龙,朱妙军,等.城市污泥掺制水煤浆燃[1] OLESZKIEWICZ J A, MAVINIC D S. Wastewater烧动力学特性[冂]环境科学学报,2008,28(6):1149biosolids: an overview of processing, treatment andmanagement [J]. Canadian J of Civil EngineeringU Qin-hai, XIONG Yulong, ZHU Miao-jun,et2001,28:102-114.aL. Study on combustion kinetics of coal water slurry[2] DOGRU M, MIDILI A, HOWARTH C R, et al.prepared with sewage sludge [J]. Acta Scientiae Cir-Gasification of sewage sludge using a throated downconstantiae,2008,28(6):1149-1154draft gasifier and uncertainty analysis [J]. Fuel Pro-(贲任编辑涂红)中国煤化工CNMHG