污泥和煤混烧特性的热重分析法研究

第26卷第5期环境科学学报Vol 26. No 52006年5月Acta Scientiae CircumstantiaeMay,2006刘亮,李录平,周孑民,等,2006,污泥和煤混烧特性的热重分析法研究[J].环境科学学报,26(5):835-839Liu L, Li L P, Zou J M, et al. 2006. Investigation on the co-combustion characteristics of coal and sewage sludge by thermogravimetric analysis[ J].Actacientiae Circumstantiae, 26(5): 835-839污泥和煤混烧特性的热重分析法研究刘亮2,李录平2,周子民1,那晓忠2,闫宏杰1.中南大学能源科学与工程学院,长沙4100782,长沙理工大学能源与动力工程学院,长沙410076收稿日期:2005-11-22修回日期:2006-04-24录用日期:2006-0424摘要:为了解城市污泥和煤粉混烧的燃烧规律,利用热重分析法对兰坝煤粉和某城市污泥及两试样混合物的燃烧特性进行了研究实验结果表明,在加热速度20℃min1、20-1200℃的温度范围内,污泥的热重曲线存在2个明显的失重区域在混燃过程中,煤和城市污泥基本上保持了各自的挥发分析出特性,混合试样的燃烧曲线处于污泥和煤粉燃烧曲线之间对实验数据进行分析处理,得到了反应动力学参数活化能E和频率因子A.在掺混比例较小时(污泥质量分数为20%)对煤的活性几乎没有什么影响;而掺混比例较大时(污泥质量分数为50%80%),存在2个反应区间,在第一温度段(大约<430℃)混合试样的反应特性类似于污泥,而在高温区段(6>430℃)混合试样的燃烧特性则类似于煤关键词:燃烧;煤泥混合物;热重分析法;实验研究文章编号:0253-2468(2006)05-083505中图分类号:X703文献标识码:AInvestigation on the co-combustion characteristics of coal and sewage sludge bythermogravimetric analysisLIU Liang,, LI Luping, ZoU Jiemin, YAN Xiaozhong, YAN HongjieSchool of Energy Science and Engineering, Central South University, Changsha 410078School of Energy and Power Engineering, Changsha University of Science Technology, Changsha 410076Received 22 November 2005;received in revised form 24 April 2006accepted 24 April 2006Abstract: An experimental investigation on the combustion characteristics of the blends of Lanba's coal and Changsha's sewage sludge is conducted byith a ramp of 20Cmin-Iwithin the temperature range 20 -1200C. The investigation reveals that there are obviously twotemperature zones where sludge weight loses promptly. Although the sludge- coal blends exhibit a transitional behavior from that by sludge to that by coethe sewage sludge and coal have basically maintained their own devolatilisation characteristics respectively during the pyrolysis. The reactive kineticsparameters E and A were obtained through the experimental data processing. The experimental results show that, the reactivity of the blend with 20 wtof the sludge, is similar to that of the parent coal. However, there are two temperature zones with obviously different reactivity for the blendswt% and 80 wt. of the sludge respectively. In the lower temperature zone( less than 430C), the reactivity of the blend is similar to that of the sludgeand, in the higher temperature zone( greater than 430C), the reactivity of the blend is close to that of the parent coalKeywords: combustion; sewage sludge-coal blends; thermogravimetry: experimental investigation1前言( Introduction)值,是一种有效的污泥处理方法,然而,这种处理方法也存在可能加大NO,和痕量元素排放等缺点污泥的焚烧处理技术包括污泥焚烧或与煤混( Werther et al.,1999; Spliethoff et al.,198).烧,可使污泥减容、稳定化和无害化( Calvo et al由于污泥的挥发分、灰分及固定碳等技术特性2004;王红等,1999; Werther et al.,1999;指标跟煤不同,燃烧过程就会明显有别于煤粉.因Nadziakiewicz et al.,2003),并能回收污泥中的热此需要分析污泥及其与煤混烧的特性,掌握污泥的基金项目:湖南省自然科学基金资助项目(No.03JY5028)中国煤化工Supported by the Hunan Provincial Natural Science Foundation of China(No, 03JJY作者蔺介:刘亮(1967-),男,副教授,Emal: luliang@ crust. edu,cm;*通讯什CNMHGBiography:LIULiang(1967--),male,associateprofessor,E-mail:liuliang@csust.edu.cn;Correspondingauthor环境科学学报燃烧条件,以便为城市污泥的最终处理寻求一条经高温电炉为长沙实验电炉厂生产SX2-16-13型电阻济合理的途径炉.热重分析采用北京光学仪器厂生产的WCT2型热重分析是用于研究固体化学反应特性的重热天平.热重分析中采用5mm(直径)x1.5mm氧要方法,它广泛的应用于固体反应特性的研究(姜化铝坩埚测试条件为:升温速率为20℃min1,秀民等,2002;刘彦等,2004).国内外有很多学者采样质量(10.0±0.1)mg,试验测温范围为20℃用热重分析法对不同类型污泥及其与煤混烧进行1200℃,在空气介质中进行实验了研究,Font等人分析比较了7种污泥的热重曲线,热重曲线,3实验结果( Results)指出具有不同理化性质的污泥在燃烧过程中表现出很大的差异( Font et al.,2001).Oeo等人分析3.1基本特性分析了3种不同类型污泥的燃烧过程,并对它们与煤混表1为5种试样的工业分析结果,由表1可以烧时燃烧特性参数的变化规律进行了研究( Otero et发现,试验选取的污泥挥发分质量分数高达al.,2002).浙江大学的温俊明等人从污泥的热重3823%,灰分质量分数54.09%,而固定碳质量分分析曲线出发,得出了由3个独立的连续的平行反数仅为288%,具有典型的高挥发分、高灰分和低应组成的动力学模型,求出了热解动力学参数和方固定碳含量的特点试验所用的兰坝煤粉的挥发分程(温俊明等,2004).东南大学顾利锋等人对污泥质量分数为20.32%,灰分质量分数为31.39%,但同煤混燃过程综合燃烧特性参数进行了研究,发现固定碳质量分数高达46.29%混合燃烧过程中,煤和污泥基本上保持各自的挥发表1试样的工业分析分析出特性(顾利锋等,2003).华中科技大学的苏Table 1 Proximate analysis for Sewage sludge胜等人却发现污泥和煤混烧特性从总体上表现为试样污泥质量分挥发分固定碳污泥与煤共同作用的结果(苏胜等,2004).然而,对分数g(M。)(A(V,d)(FC.d于污泥与煤混合燃烧时,掺混比例对混合物燃烧特兰坝煤粉02.00%31.39%20.32%46.29%混合试样20%2.69%34.66%23,04%39.61%性的研究报道相对较少本文主要是利用热重分析法研究兰坝煤粉和混合试样50%3.45%39.26%28.31%28.98%长沙污水处理厂的污泥及其混合物的燃烧热解特混合试样80%4.38%47.77%35.02%12.83%污泥4.89%54.09%38.23%2.88%性,评估各组分之间的相互作用,并且通过实验数据求出这些试样的动力学参数,得到摻混比例对混3.2燃烧性能分析合物燃烧特性的影响,以期为城市污泥掺混煤粉燃图1为污泥、兰坝煤及其混合试样燃烧的TG烧、焚烧设备的运行及燃烧工况的组织提供指导和DTG曲线,通过比较可以发现,兰坝煤显示出典2样品采集与研究方法( Sampling and methods)型的烟煤燃烧特性曲线,在390~685℃的温度范围内可观察到与固定碳燃烧过程相对应的明显的失2.1实验样品重过程,在566℃时存在最大的失重率,而观察不到实验所用污泥采自长沙市某污水处理厂的脱明显的挥发分燃烧过程,与有关文献中的报道类似水车间将污泥自然干燥7d后,放人恒温箱内,在( varey et al.,1998),这可能既是碳气化也是挥发100℃条件下干燥3h,碾磨后过150目筛试验煤样分释放的综合行为在污泥的热重分析曲线有3个为兰坝煤粉煤样为空气干燥基过150目筛实验比较明显的失重区域,其中215-430℃和430试样为污泥、兰坝煤粉和它们之间3种不同比例的712℃两个温度段可理解为是挥发分的燃烧过程,而混合试样混合试样中污泥质量分数分别为20%、712-805℃的温度段则对应的是固定碳的燃烧过50%和80%程.在第一个温度阶段215~430℃,失重大约达到2.2实验方法整个失重的57%;在430~712℃温度段失重达到按文献(金维强,199中的工业分析方法对试40%V凵中国煤化工很多的小峰相互重验样品进行工业分析,所用分析天平为湘仪天平仪叠,但CNMHG器厂生产的AEL200型电子分析天平,电热风箱为此可见,污泥的燃烧过程与煤粉的燃烧过程长沙仪器仪表厂生产的FN101-2A型鼓风干燥箱、有着较大不同,煤粉的燃烧过程中起主要作用的是5期刘亮等:污泥和煤混烧特性的热重分析法研究837固定碳的燃烧,而污泥在燃烧过程中,其高挥发分的析出和燃烧起主要作用dr=kf(a)=de f(a)(1)式中,a为试样热解过程中消耗的量,A为频率因子,E为活化能,R为气体常数,7为反应温度,f(a)(wne=20%)为与热解机理相关的函数经过整理得:叫(:1=F+m(4)(2)式(2)中,n[x①门]与1T成线性关系从给定的的知物知伽加知miTG曲线上取若干个点(m(],1/m)经最小二乘法回归可得一线性方程:Y=a+bX.根据热重曲b DIG90%A:限高租数分进青处要秀限等为图280%为各试样试验数据点及由其拟合的直线,由各直线的斜率可求出反应的活化能E,由截距可求出频率因子A.经过拟合计算得出的各试样的动力学参数见表2.表2中煤粉试样及污泥质量分数为20%的%-mom如"msmm如混合试样,由于在第一温度区(低温段)内最大失重率及失重量较小,活化能及频率因子可忽略不计图1试样热分析TG和DTG曲线一煤粉Fig. 1 Pyrolysis TG and DTG curves for coal, sludge andtheir blends混排:混合试样的燃烧曲线基本上位于污泥和煤粉燃烧曲线之中,且存在2个失重峰,曲线形状视各试第二福度区样的含量不同而稍有差别.在第一温度区间内(215第一温度区430℃),混合试样的最大失重率与煤粉相比稍有10l12i1415161718上升,而在第二温度区间则有所下降.当污泥的掺r"104K)烧量很小(质量分数仅为20%)时,这一现象变化不大,仍与煤相似.但当污泥的掺烧量达到50%和图2试样的动力学参数求解图Fig. 2 Arhenius plots for the pyrolysis of coal, sludge and80%时,由于混合燃料中污泥挥发分的大量析出和their blends燃烧,一方面加速了失重过程(表现为该温度段最大失重速率的增大),另一方面析出的挥发分燃烧由表2中的数据可以看出,煤的活性明显比污又迅速消耗了大量的氧气,从而使DTG曲线在第泥的活性小,活化能较大污泥存在2个失重峰,可温度区间内,出现了明显的失重峰,这与纯污泥在能是由于析出的挥发分成分不一样,因而化学键的该温度段的性质相似.而在第二温度区间内,随着强弱不一致,因此两区段(215~430℃和430污泥的掺混比例的增加,失重率开始下降.由这一712℃两个温度段)的活性不同,活化能也存在现象也可以看出,污泥所占比重和挥发分的析出对差别混合燃料的着火燃烧有较大影响事实上,在煤中掺烧一定比例的污泥也会引起33试样的动力学分析混合中国煤化工2和图2).在煤中每个试样的热解实验可以认为是一系列挥发掺烧CNMH(的活性没什么影分释放、燃烧的综合行为,它们的活化能符合以下响或者说影响不大,从图2、表2中可以看出,污泥动力学方程(刘振海,2000陈镜泓等,1985):质量分数为20%的混合试样,其试验曲线与煤粉是838环境科学学报26卷相当接近或类似的,而且试验数据也相差不大(活其他研究者也得出过类似的结论( Folgueras et ai化能分别是83.3175 kJ mol、82.2054 kJ. mol-).2003;2005表2试样的动力学参数Table 2 Kinetic parameters for pyrolysis of coal, sludge and their blends第一温度区间第二温度区间污泥质量E/试样分数wn(A/s-1)可决系数相伴概率样本量E/可决系数相伴概率样本量n(A/s-1)兰坝煤粉83.31758.915490.9963<0.0001混合试样82.20548.859790.99513<0.000114混合试样50%29.5251.117960.93769<0.0018768.3936.835820.98091<0.0001混合试样80%37.2173.623280.98276<0.0001850.4884.173930.98878<0.000110污泥100%41.784.771910.97396<0.0002146.3773.585110.98932<0.0001对于污泥质量分数为50%的混合试样,在第一基本上不会相互影响,挥发分的释放过程可以认为温度区段(210~430℃),混合试样的热解反应受掺是两母试样挥发分释放的总和;混合试样的燃烧曲混煤的影响,其拟合直线同纯污泥试样的拟合直线线基本上位于污泥和煤粉燃烧曲线之间不同(图2),活化性能也有区别(见表2).而3)在煤中掺烧较少的污泥(如污泥质量分数为eras等认为,在第一温度区间内,混合试样的20%)对煤的活性影响不大;对于污泥质量分数为热解主要是由90%污泥和10%煤粉的热解组成,其50%的混合试样,在第一温度区间内,混合试样的热试样活化性能区别不大( Folgueras et al.,2003),这解燃烧过程同污泥的热解燃烧过程有区别,其活化可能与试样的组成成分有关,原因还有待进一步研性能不同;在第二温度区段(约430~712℃)低温部究在第二温度区段(约430~712℃),即失重主峰,分,混合试样的活性处于污泥和煤粉之间,而在高在峰前低温部分,混合试样的活性处于污泥和煤粉温部分混合试样的活性越来越接近于煤的活性;至之间,这与2种单煤混合燃烧的燃烧特性相类似,即于掺混80%污泥的试样,由于混合试样中污泥比例混煤的燃烧特性界于组分煤种之间(李永华等,增多,其总体性能更接近于污泥热解特性2002);而在峰后高温部分混合试样的活性越来越4)随着污泥中掺混煤粉的比例增加,第一温度接近于煤的活性(图2),此时,由于温度较高煤和段的活化能反而减少.这可能与污泥中挥发分中含污泥的挥发分均会有所释放有过多的不可燃元素成分有关,还有待进一步研究至于污泥质量分数为80%混合试样,由于混合试样中污泥比例增多,其总体性能更接近于污泥热References解特性(图2),但其活化能在第一温度段却比污泥 Calvo L F, Otero M, Jenkins B M,a.2004. Heating process小(表2)从表2还可看出,随着污泥中掺混煤粉的characteristics and kinetics of sewage sludge in different atmospher比例增加,第一温度段的活化能反而减少.这可能mochimica Acta. 409, 127-135与污泥中挥发分中含有过多的不可燃元素成分有hen JH, Li C R. 1985. Heat Analysis and Application[ M]. Beijingience Press. 120-121( in Chines关(顾利锋等,2003),它们在热解过程开始阶段释 Folgueras M B, Diaz R M, Xiberta J.2005 Pyrolysis of blends of放失重明显,因而影响试样的活性,具体情况还有different types of sewage sludge with one bituminous coal[J]待进一步研究Folgueras M B, Diaz R M, Xiberta J, et aL. 2003. Thermogravimetrie4结论( Conclusions)he co-combustion of coal and sewage sludge[ J]. Fuel1)煤和污泥具有不同的性质,因而具有不同的中国煤化工FontDTG曲线形式,污泥的热重曲线存在2个明显的失CNMHG. Analysis of the pyrolysisainerent sewage stages by TG[J]. Jourmal of重区域2)在混合试样的热解燃烧过程中,两组分之间cuLF, Chen x p, Zhao S,ma.200. Study of the Characteristics5期刘亮等:污泥和煤混烧特性的热重分析法研究839of Mixed Burning of Municipal Sewage Sludge and Coal by aand macerals [J]. Fuel, 75: 165Thermogravimetric Method[ J]. 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