城市污水处理厂污泥热解机理

2007年12月南昌航空大学学报(自然科学版)Dec.,2007第21卷第4期Joumal of Nanchang Hangkong University Natural ScieneeVol 21 No, 4城市污水处理厂污泥热解机理魏立安,涂丽丽,高标(南昌航空大学,江西南昌330063)[关键词]污泥;热重分析;热解;动力学参数[摘荽]本研究采用热重分析仪对南昌市青山湖污水污泥进行热重分析实验,分别获得了20Kmin和40K/min加热速率下污泥的TG-DTG曲线,得出了污水处理厂污泥的热解待性。根据实验结果对于燥污泥热解过程进行了分析且利用积分法确定了热解机理求出反应动力学参数-频率因子A活化能E。[中图分类号]x505[文献标识码]A[文章编号]001-4926(2007)04-006-0Pyrolysis mechanism of municipal sewage sludgeWEI Li-an TU Li-li GAO BiaoNanchang Hangkong University, Nangchang 330069, China)Key words: sewage sludge; thermogravimetric; pyrolysis; kinetics parameterAbstract: In order to obtain the pyrolysis mechanism of sewage sludge, the thermal gravimetric analysis is used to study the mechanismof dried sewage sludge from Nangchang Qingshanhu Sewage Treatment Plant. The TG-DtG curve of sludge under the rising tempera-ture rates of 20K/min and 40K/ min are obtained. According to the results, the pyrolysis properties of sewage sludge were studied. Thedata obtained from experiments using differential coefficient methods were processed to determine the pyrolysis mechanism and the kimetics parameters of sewage sludge随着我国城市化进程的加快,城市污水处理率逐年提高,城市污水处理厂的数目和污泥产量也急剧增加(。城市污水污泥与大部分有机废物相同,含有大量易挥发性有机物质。如此,用某种方法就能把这种贮存在污染中的能量,以热量或作为燃料或制造出特殊的化学品的形式释放出来2。一般用三种方法来利用其中的能量:直接燃烧、气化和热解。其中热解法在最近几年受到了越来越多的关注。本实验采用热重分析法对南昌市青山湖污水处理厂污泥的热解特性进行了研究。1·污泥热解特性实验1.1实验原料污泥样品为南昌市青山湖污水处理厂的消化后污泥。在103℃空气环境中烘烤去除水分后粉碎,经40目筛分得到于基样品并放入干燥皿内备用。首先对样品进行理化分析得到的结果如表1所见,污泥具有挥发分和灰分很高、固定碳含量低,热值很低的特点。表1污泥样品的理化分析数据表元素分析(干基,w%)工业分析/%低位热值挥发分灰分国定礦污泥样品(K/Kg)2,430.895.4731.265.07.107收萚日期]2007[基金项目]江西省科技厅重大科技专项(20041A040202)。[作者简介]魏立安(1963-),男,江西省定南人,南昌航空大学环境与化学工程学院教授硕士生导师,主要从事环境工程清洁生产与循环经济方面的研究。中国煤化工第4期魏立安涂丽丽、髙标:城市污水处理厂污泥热解机理671.2热失量分析本实验采用日产 PyrisDiamond TG/DTA研究污泥的热解特性,取5870mg和3.742mg燥污泥样品,实验气氛为氮气,从室温开始加热,程序终止温度为800℃,加热速率分别为20K/min和40K/min,图1和图2为实验的TG-DTG曲线1080800T/C图1南昌青山湖污水处理厂污泥TG-DTG曲线(20K/min)垂00TGDTG80200600800图2南哥膏山湖污水处理厂污泥TG-DTG曲线(40Kmim)由TG-DTG曲线可以发现,污泥在不同的加热速率下的TG-DTG形状相似,失重规律也基本相同,主要分为两个明显阶段:(1)水分析出阶段,其中图1为室温至172.589℃,图2为室温至176370℃,而且都存在两个失重峰,其中图1的第二个失重峰不是很明显。第一个失重峰温度分别为72.7514℃和75.1650℃,失重速率分别达到-0.387%min和-0.63985%/mn,这一阶段水析出主要是由于样品在保存和实验过程中的表面水分吸收导致的;第二个失重峰温度分别为128143℃和133.595℃,失重速率分别达到036724%/min和-0.63931%/min这一阶段水析出主要是由于污泥内在结合水分蒸发导致的3;(2)挥发分析出阶段析出温度范围分别为172589℃~591281℃和176.370℃~597154℃,这个温度段为整个热解过程失重最大的阶段,其中最大的失重速率分别出现在339208℃和352.814℃,失重速率分别为225282%/mn和-3.92748%/min,而且两者在400℃附近都存在一个很小的失重峰,证明了挥发分中存在两类化学键能比较接近的成分6,这一阶段主要是有机物的分解阶段,挥发分主要在这一阶段析出;从H中国煤化工南昌航空大学学报(自然科学版)571.281℃和597.154℃到加热终温,两样品的失重率几乎没有变化,说明热解过程已经结束2污泥热解动力学参数的求解2.1污泥热解动力学参数的求解原理在进行固体热解氧化反应研究时,通常采用以下公式来表示:d其中:a是T温度时的相对失重百分数或转化率;a=GrCn为未反应的失重率;Gr为T时刻的失重率;G7m为反应截止时刻的失重率。E由 Arrhenius方程可以知道Aexp(2)本实验中采用固定的升温速率B=,结合式()和(2),可以得出方程;AE°expTf(α)B(3)采用积分方法来进行动力学分析由G(a)=da d身·e邓(P)dT得到:f(a)f(a) BG(a)=RT(4)经过一系列的数学变换可以得到G(a)AR1-2()E(5)BErt.RT由于<1,所以上式右边第一项可近似当作常数项:AR、ET2BE RT(6)综合以上数学推论,我们就可以得到:如果能找到一个正确描述反应或者近似正确描述反应机理函数表达式f(a),则hn[21]与对应的图线应该为一条直线该直线的斜为、E截距为8°22机理函数的选择由Coas- Redfern方程得(7:ARTE、_RT2RT2(a BExPRTEbedi f(a当a=0.5时RTC(0.5)=0.5Be dt.f(T2GOG(0.5)T205f(a0.5)da.5G(af(a)_TG(0.5)f(as)do0.5中国藻化工第4期魏立安涂丽丽、高标:城市污水处理污泥热解机理dt令Q(a)(afa-I=Y(a)(9)G(0.5)f(as0.5将TG-DT实验数据a、分别带入(9)式的右端,然后以a对Y(a)作关系曲线构成a-Y(a)实验曲线;将数据a和20种常用固体反应动力学模型函数G(a)f(a)带入式(9)的左边,作关系曲线构成aQ(a)标准曲线。若实验曲线与标准曲线重叠,或实验曲线与某一条标准曲线最为接近,则判定该标准曲线所对应的动力学模型函数式f(a)为该反应的动力学模型函数。判定的方法通常采用图形目测比较。根据差热曲线,利用微分方法可以求解污泥的反应动力学参数f(a)是与热解机理相关的函数,它的大小取决于反应机理函数f(a)=(1-a)其中n为反应级数。求解这个反应的动力学参数我们采用最常用的微分法。微分法是利用DTG曲线进行计算,通过DG峰前、后不问反应级数的拟合可以看出,峰后n=2时线性度最好lP2]与相关程度最高(a)=(1-a)2时最适合描述反应的机理过程,此时的G(a)=(1-a)-1o将两种加热速率下的α值和求解得到的动力学机理模型f(a)、G(a)代入式(6),得到不同升温速率下的动力学参数,结果见表2。赵2动力学参数求解结果B/K回归方程相关系数R活化能E/k/mol指前因子M/104min1Y=3.672X+7.1360.994430.5339.233Y=3.147X+8.1820.990826.16345,033结论1)南昌污水污泥在氮气气氛下热解存在两个明显的阶段:水分析出阶段和挥发分析出阶段,而且每个阶段都存在两个失重峰;加热速率在20K/min和40K/min的情况下,最大失重速率分别出现在339.208℃和352.814℃。2)污泥在不同的加热速率下的TG-DG形状相似,失重规律也基本相同,但由于在各个温度段所保持的时间不同,导致在40K/mn时比20K/min时达到各个失重段的温度都有所提高。3)利用积分法求得南昌污水污泥的动力学模型为(α)=(1-α)2,并且求解得到不同热解速率下的污泥的热解动力学参数,即活化能E和频率因子A。[参考文献[1]宋秀兰,李亚新污泥资源化技术的研究进股[打化工环保2006,26(4):291-2942] 1. Petersen, I. Werther. Experimental investigation and modeling o gasification of sewage aludge in the circulating fluidized bed[ ]]. ChemicalEngineering and Processing, 44(2005)717-736.[3] Australian Water and Waster-Water Association[ J]. Nineteenth Federal conference. Canberra; 1989[4] Lilly Shen, Dong-ke Zhang Low-temperature pyrolysis of sewage ahdge and putrescible garbage foe fuel oil production[J]. Fuel, 84(2005)809-815.[5] Puchong Thipkhunthod, Vigsanu Meeyoo, Pramoch Rangsunvigit, etal. Pyrolytic characteristics of sewage[ J], Chemosphere, 64(2006)955-962[6]翟云波魏先勋曾光明等氮气气氛下城市污水厂污泥热解特性[打现代化工,2004,(2):36-38[7]胡荣祖史启祯热分析动力学M]第一版北京科学出版社,201[8]蔡正千热分析[M]第一版北京:高等教育出版社,1993YHcNMHG