污泥的热解特性实验研究

第33卷第3期浙江工业大学学报Vol 33 No. 32005年6月JOURNAL OF ZHEJIANG UNIVERSITY OF TECHNOLOGYJun.2005污泥的热解特性实验研究陈江1,杨金福2,蔡泓林1,林超,黄立维(1.浙江工业大学生物与环境工程学院浙江杭州310032;2台州市椒江工业废弃物处置有限公司,浙江台州3180摘要:采用热重分析仪对城市污水处理厂及造纸厂废弃污泥的热解特性进行了实验性研究,考察热解温度、升溫速率和混煤比例等不同操作参数下的污泥失重特性·实验结果发现,污泥热解过程经历了三个阶段:水分挥发阶段,挥发分挥发阶段和固定碳燃尽阶段;污泥与煤混合物的热解速率在定碳燃尽阶段与单独污泥热解相比较得到了较大的提高;混煤后污泥的活化能与频率因子都有显著的下降关键词:污泥;热重分析;热解动力学;活化能E;频率因子A中图分类号:X705文献标识码:A文章编号:1006-4303(2005)03-0315-04Experimental study on pyrolysis characteristics of sludgesChen Jiang, YANG Jin-fu2, CAI Hong-ling, LIN Chao, HUANG Li-w(1. College of Biological and Environmental Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310032, China:2. Tai Zhou Jiao Jiang Municipal Industrial Solid Waste Treatment Co.zhou 318000, China)Abstract: The pyrolysis characteristics of sludges from municipal waste water treatment factoryand paper manufacturer were experimentally studied with a thermal-gravity analyzer (TGA)The influences of operation conditions such as the pyrolysis temperature, temperature raising velocity and mixing of coal, on sludge weight-lost were examined. It was found that the pyrolysisprocess experienced three periods water evaporation, devolatilization and char burnt. It was alsofound that mixing a certain amount of coal with the sludge, the pyrolysis rate was promoted, especially in the period of carbon burnt, compared with the pyrolysis of the sludge without mixingcoal. According to the TGa result, the kinetic parameters of the sludge pyrolysis were also obtainedKey words: sludge; thermal-gravity analysis; pyrolysis kinetics; activation energy frequencyfa产生的二次污染物,同时可以回收热能.美国SPSA0引言早在1988年进行了工业研究,建立了日处理量2000t工厂,日本 Narukawa K.等口3从90年代近些年来随着化石能源的紧张,利用废弃物制起对RDF进行了一系列的基础实验研究,成川公史备衍生燃料(RDF)已成为废弃物处理研究的热点.等对更贴近工业化的循环流化床技术进行了探它易于保存和运输,燃烧稳定,而且能大大降低燃烧索;而川绮重工业公司,田熊公司等研制开发了收稿日期:2004-0906作者简介:陈江(1979-),男,淅江衢州人,硕士研究生,主要研究方向为大气污染控制和固废资源化316浙江工业大学学报第33卷RDF的工业化应用设备,目前,日本已有50多座RDF加工和发电厂投入运行.在国内郭小汾等人2实验结果与分析采用热重技术对垃圾衍生燃料(RDF)的燃烧过程进行了研究探讨了RDF的燃烧特性;王志奇等2.1造纸厂污泥热解分析利用喷流-移动床研究了RDF热解燃烧温度和气体图1和图2为造纸厂污泥热重曲线图.由图1分布得到了控制热解温度的实验要素;但是研究主中可看出,污泥的热解分为3个阶段:(1)水分析出要集中在与城市垃圾相关的RDF技术,对产业的废阶段温度范围为15.69-124.31C;对应时间:0.弃物RDF的处理利用方面文献不多28~5.93min;在51.02C(2.23min),达到一个峰本研究以城市污水处理厂及造纸厂的废弃污泥值,失重为0.559mg;(2)挥发分析出阶段.温度范为研究对象,采用热重分析仪对其热解特性进行了围为218.56-469.60C,在18.03min时达到一个研究,考察热解温度、升温速率、混煤比例等不同操峰值,失重为3.291mg;(3)固定碳燃尽阶段,温度作参数下的失重特性,并进一步采用 Solve提出的范围为612.42-793.31c,在36.77min达到一个积分法及 Hancock的经验公式,求解了污泥热峰值,失重为0.933mg解反应动力学参数0.0051实验方案00l5实验所用造纸污泥为浙江某造纸厂从带式压滤T℃机后排出的造纸污泥,城市污水处理厂污泥取自杭图1造纸污泥 TG-DTG曲线(20C/min)州四堡污水处理厂污泥,分为生污泥(消化前)和熟污泥(消化后)两种.通过对污泥样品进行自然干燥,研磨等处理后得到实验样品.对样品进行了工业分析和元素分析(德国 Vario el全自动元素分析仪)从下表中可以看到造纸厂污泥含碳和挥发分大大高02004006008001000于污水处理厂污泥,灰分较少;在污水处理厂污泥图2造纸污泥 TG-DTG曲线(10C/min中,熟污泥可燃质少,固定碳含量低,氢元素含量小,主要是因为消化处理产生的以甲烷为主的沼气已经在低温区存在两个挥发阶段,第二阶段失重占被收集和利用总失重比例大,是挥发的主要阶段.在高温区有一个表1污泥的元素分析比较明显的固定碳燃尽阶段.由于污泥挥发份含量高,所以在TGA实验中污泥反应速率主要由析出元素碳/%氢/%氮/%氧/%硫/%挥发份的速率所决定富阳造纸厂26.863.730.4630.430.18在图2中10C/min的升温速率下,由于速率四堡生污泥20.754.973.5916.580.78减少一半,其挥发阶段峰值等与20C/min有一定四堡熟污泥16083.633.5516.540.80差别,但二种污泥总失重率都比较接近.可看出成分表2污泥的工业分析含量一样的污泥在不同升温速率下的热重曲线大致相同,不同的升温速率对热解影响不明显类、别挥发分/%固定碳/%灰分/%2.2四堡污水处理厂污泥热解分析高阳造纸26.12在和造纸厂污泥热解同样操作条件下,试样约四堡熟污泥68.8010mg,升温速率为20C/min,载气为N2四堡污水四堡熟污泥67.55处理厂污泥热解特性见图3和图4.污泥的热解特性采用热重分析仪(日本岛津由图所示,生、熟污泥在低温区均存在两个挥发TGA-50H)进行研究·试样约10mg,均匀地放在托阶段,第一个挥发阶段是水分的挥发第二挥发阶段盘上,载气为N2,流速为30mL/min,升温速率分别是主要的挥发阶段,挥发份在此阶段中析出在高温第3期陈江,等:污泥的热解特性实验研究317个挥发阶段的峰低,表示其热解速率大,但是失重主固定碳燃尽阶段变化比较明显,原因是混合物中煤要还是在第二阶段,最后的固定碳燃尽阶段不是很的含量占多,又由于煤中碳含量较高,助燃效果好,明显,峰比较小,热解速率与热值都较低。挥发集中所以在固定碳燃尽阶段峰值表现比较明显在低温区的原因是污泥中的有机物含量比较高,化而四堡污水处理厂污泥在混煤后水分析出阶段学键比较弱,在较低温度下就析出在达到固定碳燃的峰值温度降低了,其他两个阶段的峰值温度大致尽阶段之前有一段比较平稳的曲线,表明在第二挥相近混煤后总的失重率也降低了,也是因为煤中挥发阶段物质已经基本挥发完全,并且此污泥中碳含发基较少,在固定碳燃尽阶段变化比较不明显.因量比较少,所以在固定碳燃尽阶段燃烧速率与失重为相比于造纸污泥污水处理厂污泥挥发份少,在达都比较小到固定碳燃尽阶段之前已经完全挥发,当煤开始热解时,污泥中的挥发基基本上已经完全热解,污泥中n1E的氢并没能有效的利用,煤炭的助燃效果也就没有0.004体现出来02004006008001000T/C020040060080010000.003图3四堡生污泥TGDG曲线图5造纸污泥与煤混烧TG-DrG曲线100.002-0.003曾95-0.00058.5200400600800100002004006008001000图4四堡熟污泥 TG-DTG曲线图6四堡生污泥与煤混烧TG-DTG曲线从图3和图4中可看出四堡熟污泥热解所需温度比生污泥高,但总失重率大致相近从工业分析来3污泥热解动力学研究看,生污泥与熟污泥的区别在与挥发份与固定碳的差异.生污泥挥发份多,在第二挥发阶段表现为:挥对于固体分解反应A(5)→B(s)+C(g)↑,在发时间长失重率高,燃烧热值大生污泥固定碳含有限的时间隔内,假定反应是等动力学的,且反应量大于熟污泥在固定碳燃尽阶段,表现为燃烧时间为基元反应,应用 Arrhenius定律,可以从最终反应长,失重率高,燃烧速率大,这也证明了工业分析的速率方程测定污泥热分解反应的动力学参数:活化准确性能和频率因子2.3造纸污泥、四堡污泥与煤混烧热解分析比较da(1-a)(1)污泥在固定碳燃尽阶段的效果不是很理想.为了使污泥热解更完全在实验中,分别加入了一定量式中:a为反应过程中失重率;T为绝对温度,K;A的煤,使污泥在固定碳燃尽阶段的效果更明显为频率因子,min-;φ为升温速率,φ=dT/dt,从下列图中可看出造纸污泥混入煤后,在水分K/min;E为活化能,kJ/mol;R为理想气体常数;n析出阶段达到峰值温度比没混入煤时的低,在第二为总反应级数大多数热解反应可以按照准一级反挥发阶段两者的峰值相近燃尽阶段时峰值的温度应考虑,即取n=1,式(1)可以简化为略有升高.总的失重率比较,混煤后的失重率下降Ae原因是由于煤中挥发基比较少从而影响样品中挥发经过Doye的推导及 Hancock的经验公式:10,基挥发而污泥挥发主要集中在第二挥发阶段,故混可得31浙江工业大学学报第33卷ln(-1n(1-a))++5.33=1nAE提高,使造纸污泥在固定碳燃尽阶段的效果更明显(4)在不同升温速率下造纸污泥的活化能变化不大,频率因子随着升温速率的升高而增大混煤以n(-1n(1-a)与1/呈线性关系,可以回归后,造纸污泥活化能与频率因子都有显著的下降拟合成一条直线,通过直线的斜率和截距可以得到动力学参数表观活化能E和频率因子A,具体数据参考文献:见表3.[1] Narukawa K, Goto H, Chen Yong. 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