采用热重分析法研究煤掺烧干污泥燃烧特性

中国环境科学2011,31(3):408-411China Environmental Science釆用热重分析法研究煤掺烧干污泥燃烧特性李洋洋,金宜英,李欢2(清华大学环境科学与工程系北京10084:2清华大学深圳研究生院广东深圳518055)摘要:利用热重分析法对干污泥和煤及二者混合样的燃烧特性进行了研究结果表明在空气介质、升温速率25℃/min、温度范围20-1000℃的情况下,干污泥分别在280℃、480℃出现2个失重峰煤在500℃时出现1个失重峰随着千污泥掺烧比增加混合样失重速率峰值及最大燃烧速率值增大岀现温度提前.ˉ定比例范囤的干污泥擲烧可以改善煤的着火性能,冇利于煤的稳定燃烧燃料的叮燃烧性指数增加,使燃烧特性改善该指数介于干污泥和煤单-成分燃烧特性指数之间关键词:热重分析:污泥;煤;掺烧比;燃烧特性中图分类号:X70文献标识码:A文章编号:1000-6923(20103040804Thermo-gravimetric analysis and co-combustion characteristics of dried sludge and coal. LI Yang-yang, JINYi-ying, LI Huan(1. Department of Environmental Science and Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084China; 2. Graduate School at Shenzhen, Tsinghua University, Shenzhen 518055, China). China Environmental Science,2011,31(3):408411Abstract: The combustion behaviors of dried sludge, coal and their mixtures were investigated by a thermo-gravimetricanalysis(TGA)in the temperature range from 20 to 1000C with the heating rate of 25C/min. The coal sample had oneweight loss peak at the temperature of 500C while dried sludge had two at the temperature of 280 and 480C. When the ratioof dried sludge in the blend was appropriate, the values of both weight loss rate peak and maximum combustion rateincreased while the appearance temperature decreased. At the same time, the ignition performance of coal could be improvedby co-combustion with dried sludge, which also was conductive to the stability of coal combustion. Combustioncharacteristics of the blends were improved and the flammability index was between the two values of coal and dried sludgeKey words: thermal gravimetric analysis; sludge: coal; mixing ratio: co-combustion characteristics城市污水处理厂每年产生大量的污泥,其处煤混合物的着火及燃烧特性随着污泥的掺烧比理成本已经成为制约该行业发展的瓶颈因素单例不同而不同 Xiao HanMin等采用热重分析独建设污泥处置设施不仅投资成本高,且运行费方法对燃烧空气中不同含氧量、不同加热速度时用昂贵利用其他工业的余热资源,干化污泥、燃污泥与煤的混烧特性进行了研究.国外研究烧设备焚烧污泥,可以大幅降低污泥的处理费者β1对一些化石燃料、替代燃料及几种固体废用叮污泥脱水后含水率一般在80%左右处理量物在不同控制条件下的升温速率、空气流速等混大时,般先经热干化干燥成干污泥,再与煤混烧.烧特性的模型进行了相关研究虽然干污泥热值较高但灰分含量高、碳转化率本试验采用热重分析法对不同干污泥及煤低因此在污泥的热转化过程中控制费用耗费较掺烧比例时混合燃料的热失重过程进行分析,获多凹李培生等通过差热分析研究,得到污泥与得不同掺烧比例时干污泥与煤混合燃烧特性,从煤燃烧的反应动力学参数,二者燃烧各自保持独而为V中国煤化工论依据立性 Liao Yan Feng等采用热重分析法对煤与收稿日CNMHG造纸污泥热解及焚烧过程进行了研究结果发现蕃金项目;“+五"国家科技支據计划项目(209BAC6Bo加热速率较高时污泥挥发阶段出现较早;污泥与·责任作者.副教授,jmy@tsinghua.edu.cn3期李洋洋:采用热重分究煤掺烧干污泥燃烧特性1材料与方法试验所用煤来自北京市某锅炉房污泥样品为北京市某污水处理厂的脱水泥饼pH669将污1.1材料泥干燥后破碎,试样粒度过150目筛表1煤与污泥理化特性Table 1 Characteristics of the sludge and coal样品含水率(%)挥发分(%o)灰)c%)H%)N%S(%)%高位热值lg)二煤l3223000093201.2试验方法要为干污泥中易挥发部分的析出及燃烧过程,占实验采用热重分析仪为STA409C131F型,总失重的4225%;第二阶段位于450-550℃之间,技术指标温度范围为室温~1600℃样品重量主要为干污泥中相对难挥发部分的析出及燃烧Ω20g温升速率为0l~999℃hmin测试条件:升温过程,占总失重的27.75%2个失重峰的峰值温度速率25℃/mn试样质量为(20+0mg,含水率为分别为280,480℃,对应的失重速率峰值为853%试验温度范围20-1000℃燃烧气氛为空5524,9.885%min;煤样的热重曲线(TG)只在气介质400~600℃区间内出现了一次明显的失重过程,13分析方法占总失重的7693%微分热重曲线DTG)上对应1.3.1着火温度煤的着火温度(T)是指煤在一个独立的失重过程煤样失重速率峰值出现在空气或氧气中加热时达到连续燃烧的最低温度,500℃,为13.92%min这与干污泥和煤样中的挥着火温度可以反映燃料点燃的难易程度着火温发分含量有关系由于煤样中的挥发分含量低挥度只能代表煤在燃烧初期的反应能力不能概括发分析出温度比干污泥高,因此干污泥中的挥发整个烧燃过程.分析出过程造成了样品失重率与失重量要比煤为将各煤种以燃烧性能的优劣排成序列采用样显著而煤样中挥发分析出与焦炭燃烧阶段没可燃性指数进行比较可燃性指数可以反映燃料点有明显分开,从而导致挥发分析出阶段煤样的燃的难易程度,燃烧的快慢及燃尽的难易程度凹.DTG曲线没有出现明显的独立失重速率峰由此可燃性指数越大燃料燃烧着火稳定性越好.说明污泥与煤的燃烧过程存在差异污泥的燃烧1.3.2综合燃烧特性指数采用综合燃烧特性过程,挥发分的析岀和燃烧占主要作用;煤燃烧时,指数(⑧S)来表征混合样品的综合燃烧性能S越大,焦碳燃烧占主要作用.燃料的燃烧特性越好为了研究干污泥与煤混合时的燃烧特性将s=(d/d )m x(dw/dr)干污泥与煤的掺烧比例分别设为3%,5%10%,20%,30%50%80%的掺烧比例进行热重分析实式中:( dildo)为最大燃烧速率,%min;(dW验干污泥与煤分别在空气介质中从20至d)emn为可燃质平均燃烧速率,%min;Th为燃尽1000℃加热升温,升温速率25℃min,两者的TG温度℃;T为着火温度,℃与DTG曲线如图2所示2结果与讨论从图2中可以看出,干污泥与煤掺烧时混合样的中国煤化工1个明显的失重21样品失重特性分析阶段3CNMH GG曲线的失重速由图1可见,干污泥焚烧过程中的失重主要率峰值随着掺烧比的提高而升高分别为8189,分为2个阶段第一阶段位于200400℃之间主8266,8.827%min,对应的温度分别为470,450410440℃增加挥发分的析出阶段失重增加掺烧比10%时的失重速率比3%和5%时要高0.638%100TG干污泥1290.561%min焦炭燃烧阶段的失重速率峰出现的一----了G煤温度随着掺烧比增加而降低,以掺烧比为10%为D千污测9冒例分别比3%、5%时降低了30,10℃比单一煤样4提前了60℃因此,干污泥与煤掺烧时,随着干污泥掺烧比的增加样品的挥发分失重速率峰值增大,失重速率峰出现的时间提前,出现时的温度降低样品挥01002003004005006007008009001000温度发出的质量增加图1干污泥与煤在空气介质中的 TG-DTG曲线2.2燃烧着火特性及燃尽特性分析Fig 1 TG-DTG curves of dried sludge and coal in airmedium from 20 to 1000C with heating rate表2于污泥及煤不同掺烧比例时的燃烧特性参数升温速率为25℃/min20-000℃combusted with different ratio of coal污泥掺烧比峯(%)T”f( dw/domax(dWd)m14.193845704678.31873875764533965855069.062.129848039256650201002003004005006007008009001000Cx×105温度(℃图2不同干污泥掺烧比例时污泥与煤的 TG-DTG曲线Fig 2 TG-DTG curves of dried sludge combusted withdifferent ratio of coal in air medium from 20 to 1000Cwith heating rate of 25C/min升温速率为25℃/min20-1000℃TG-3%0406080100- DTG-5%TG-10%TG20%TG30%掺烧比例%TG-50%图3不同干污泥掺烧比例时混合燃料C与S曲线DTG-3%一DTG10%DTG-%DTG-30%Fig 3 Curves of C and S of dried sludge combusted withDTG-50%different ratio of coal in air medium from 20 to 1000 Cheating rate of75℃min当煤中掺烧干污泥时,混合样品中的挥发分中国煤化工含量比单一煤时高比单一干污泥时低所以随着CNMHG掺烧干污泥时的最大失重速率均比单一煤样时对图1和图2进行分析和处理可以得到样品低掺烧比例增大时混合样中的挥发分量进一步的着火温度T、最大燃烧速率(dWd)m及其所期李洋洋:采用热重分析法研究煤掺烧干污泥燃烧特性对应的温度T、燃尽温度T定义为失重占总烧速率燃烧特性指数等来确定失重95%时的温度)2,如表2所示可燃性指数qc、(dW18m=,单位为10°%(mnKy,见参考文献T2[1] Calvo L F, Otero M Heating process characteristics and kinetics图3.of sewage sludge in different atmospheres [] Thermochimice( dw/dr)max i越大,着火温度越低时燃料越容Aca,2004409(2):127-135.易燃烧从表2及图3中可以看出干污泥的着火[2]Bowman C T. Kinctics of pollutant formation and destruction in温度比煤低35℃,随着干污泥掺烧比例的增大,凹李培生李洁胡益等基于DA方法的污泥与煤混合物燃混合样的最大燃烧速率值升高最大燃烧速率出烧反应动力学[华中科技大学学报(自然科学版现的温度提前同时污泥与煤混合样的着火温度降低混合样的可燃性指数C介于污泥和煤样可 Liao Yanfen, a Xiaoqian. Thermogravimetric analysis o燃性指数之间这说明掺烧污泥后样品的着火性co-combustion of coal and paper mill sludge [] Applied Energy,2010,87(11)3526-3532能得到了改善掺烧一定量的干污泥可以改善煤5 Xiao Hanmin, Ma Xiaoqian, Liu Kai, Co-combustion kinetics o的着火性能有利于煤的稳定燃烧这是因为污泥 wage sludge with coal and coal gangue under different中挥发分含量较高掺烧干污泥后,混合样中的挥 atmospheres [] Energy Conversion and Managemen2010发分可以在温度较低时析出51(10):197619823混合燃烧特性指数分析[6]Campanella L, Tomassetti M, Tomellini R. Thermoanalysis ofancient, fresh water logged woods [] J. Therm. Anal, 1991从图3中可以看出,干污泥的掺烧比例较大37(8):1923-1932时燃料的可燃烧性指数增加混合燃料的燃烧特[η Jaber JC, Probert S D. Pyrolysis and gasification kinetics o性变好但是比污泥和煤单一成分的燃烧特性指 Jordanian oil- shales [J]. Appl. Energy,19966286数小结合着火温度及燃尽温度,干污泥的掺烧比 beling J! M. Physical and chemical properties o例增加时有利于混合燃料的燃烧但掺烧比例过biomass fuels F). Trans. ASAE, 1985, 28(3): 898-902[9] Sorum L, Gronli M G, Hustad J E. Pyrolysis characteristics and大时,不利于改善燃料的燃烧性能kinetics of municipal solid wastes [J]. FueL, 2001, 80: 1217-1227.3结论[10] Conesa J A, Font Rombustion of tyre wastes []. Fuel, 1998, 77(13): 1469-1475.31污泥燃烧过程挥发分占主要作用,单一干]路春美王立真邵延玲等用热重法确定的着火温度与可燃污泥样的TG曲线主要有2次失重阶段分别为性指数[山东电力技术,19942:68-71[2]刘亮李录平周孑民等污泥和煤混烧特性的热重试验研究易挥发分及难挥发分的析出及燃烧段分别占总门.华北电力大学学报,200636):7679.失重的4225%,27.75%DTG曲线上对应2个独13]孙学信燃煤锅炉燃烧实验技术与方法DM,北京中国电力出立失重速率峰对应温度分别为280、480℃煤样社,200燃烧过程中焦炭起主要作用,只表现一次明显失4聂其红孙绍增李争起等褐煤混媒燃烧特性的热重分析法研重过程占总失重的7693%对应温度为500℃究门燃烧科学与技术2001,(1):72-7632混合燃烧时随着干污泥掺烧比例的增加作者简介:李洋洋(1984男河南确山人硕士研究生主要从事固混合样的挥发分失重速率峰值增大失重速率峰体废物控制及资源化研究发表论文3篇出现的时间提前,出现时的温度降低33煤样中掺烧污泥后,与单一煤样相比,污泥与煤混合样的着火温度降低可燃性指数减少,综中国煤化工合燃烧性能下降CNMHG34工业企业掺烧污泥技术上是可行的合理的污泥掺烧比例通过综合考虑着火温度、最大燃