污泥的热解特性实验研究

第33卷第3期江工业大学学报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,林超,黄立维(1.淅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318000)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固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颏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-fu?, CAI Hong-ling, LIN Chao, HUANG Li-wei(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. Lt, Taizhou 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; frequencyactor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的工厂,日本 Narukawa K等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它易于保存和运输,燃烧稳定,而且能大大降低燃烧索;而川H中国煤化工技术进行了探CNMHG3研制开发了收稿日期:2004-0906作者简介:陈江(1979-),男,浙江衢州人,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15.69-12431C;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21856-469.60C,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 Dole提出的范图为61242~79.31c,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0933mg解反应动力学参数0.0050.005实验方案4006008001000/5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-DG曲线(20C/min)州四堡污水处理厂污泥,分为生污泥(消化前)和熟0.002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于污水处理厂污泥,灰分较少;在污水处理厂污泥中,熟污泥可燃质少,固定碳含量低,氢元素含量小,图2造纸污泥TG-DTG曲线(10C/min)在低温区存在两个挥发阶段,第二阶段失重占主要是因为消化处理产生的以甲烷为主的沼气已经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样富阳造纸厂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16.083.633.5516.540.80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∠类、别挥发分/%固定碳/%灰分/%相同,不同的升温速率对热解影响不明显样品2.2四堡污水处理厂污泥热解分析高阳造纸厂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10中国煤化工载气为N2四堡污水四堡熟污泥处CNMHG 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果用数接mn和10cm两种方式,以作比较,区有一个固定碳燃尽阶段,第一个挥发阶段比第二第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,污泥中的氢并没能有效的利用,煤炭的助燃效果也就没有体现出来0.00l0.0080.001曾02004006008001000-0.0025200400600800l0图3四堡生污泥 TG-DTG曲线图5造纸污泥与煤混烧TG-DIG曲线E409.5-0.003-0.00420.00150-0.005020040060080010002004006008001000图4四堡熟污泥 TG-DTG曲线图6四堡生污泥与煤混烧TG-D'G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(s)→B(5)+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daEr(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:4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-';为升温速率,中=dT/dt,挥发阶段两者的峰值相近燃尽阶段时峰值的温度应考2为活化能kJ/md;R为理想气体常数;n从下列图中可看出造纸污泥混入煤后,在水分K/min; E多歉执解后应可析出阶段达到峰值温度比没混入煤时的低,在第二为总「以按照准一级反中国煤化工简化为CNMHG略有升高.总的失重率比较,混煤后的失重率下降(2)原因是由于煤中挥发基比较少从而影响样品中挥发基挥发而污泥挥发主要集中在第二挥发阶段,故混可过Dyle的推导及 Hancock I的经验公式煤和没混煤的样品在第二阶段的挥发相差不大,在318浙江工业大学学第33卷AEln(-1n(1-a))++5.33=1n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ln(-ln(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. Fundamental research on表3污泥热解动力学参数RDF combustion characteristics in circulating fluidized bed[A]. 1996 International Conference on Incineration and Ther样品类别)/(kJmal Treatment Technologies[C]. 1996. 497-502富阳造纸厂16.69[2]富阳造纸厂107.99terization of activated carbons from refuse derived fuel [J].四堡生污泥209.37Porous Mat,2002,9(1);25-33.四堡熟污泥4.18[3] Nagano S, Tamon H, Adzumi T, et al. Activated carbon from造纸污泥混煤四堡生污泥混煤[4]成川公史,后藤秀德,陈勇,等.RDF循环流化床技术研究1.33[A].日本化学工学论文集[C]1996,22(3):560-5655]张焕芬,喜文华,日本垃圾衍生燃料的研究开发[].甘肃科学4结论学报,1999,11(3),66al. Pyrolytic ki(1)污泥的失重过程中有3个失重速率较高的netics of combustible of MSWTJ]. Journal of Chemical Indus-try and Engineering, 2000, 51(5): 615-619.温度区域,第1个是水分析出阶段,第2个是挥发份[7]王志奇喷流移动床RDF热解燃烧温度和气体分布[J化工析出区,第3个为固定碳燃尽阶段学报,2003,54(1):74-78(2)成分含量一样的污泥在不同升温速率下的[8]蒋旭光,池涌严建华,等.污泥的热解动力学特性研究[热重曲线大致相同,污泥在不同加热速度对热重曲环境科学学报,1999,19(2):22线的影响不是很明显[9]李余增.热分析[M]北京:清华大学出版社,19893)造纸污泥与煤混合物的热解速率在固定碳[10] Hancock D, Sharp J H. Thermal analysis of sludges[J].Ce-ram Soc,1972,55(2):74-76.燃尽阶段与单独造纸污泥热解相比较得到了较大的(资任编辑:刘岩“小型模块化农林牧作业机的研制与开发”项目通过省级鉴定2005年4月30日,由张立彬教授主持的浙江省主动设计重大科技项目“小型模块化农林牧作业机的研制与开发”通过了由浙江省科技厅主持的省级项目鉴定和验收鉴定验收专家组由中国农业大学王懋华院士、中国农业部农业工程研究设计院院长朱明研究员等国内著名农业工程专家和浙江省科技厅、教育厅有关领导组成,专家在听取项目组汇报并参观项目研究成果展后致认为:该研究突破了现有的基于成组设计模式的模块化设计思想提出了以可重构模块设计为核心的面向大规模定制生产模式的新型模块化农林牧作业机产品设计方法,为解决小型农林牧业作业机功能需求与成本约束之间的矛盾提供了方法学上的保证,并研制出了具立J是块化设计的农林牧作业机。该项目研究成果达到国际领先水平中国煤化工CNMHG学报编辑部)