温度对污泥热解产物及特性的影响

生态环境2007,16(4)1189192http://www.jeesci.comE-mail:editor@jeesci.com温度对污泥热解产物及特性的影响高现文1,单春贤1,李海英2,郝建新',高鹤明11.江苏大学能源与动力工程学院,江苏镇江21201312.河北理工大学冶金与能源学院,河北庸山063009摘要:温度是污泥热解产物及产物分布状况的主要影响因素之一。为了确定最优的热解温度,为不同的热解工艺提供参考,用直径为200mm的外热式固定床反应器,以唐山西郊污水处理厂剩余污泥为实验物料,在终温为250-700℃并在初期通氮气的情况下,对污泥的热解产物分布及特性进行了研究。实验表明:在物料成分和其它条件不变的情况下,热解反应所需时间随着热解终温的升高而缩短;热解气和热解焦油的质量分数增大;焦炭质量分数减小。热解焦炭的工业分析表明,随热解终温的升高挥发分减少、固定碳和灰分增加。热解集油的热值在1043MJkg2之间;集炭的热值10~24Mkg1之间。关键词:污泥热解;热解产物特性;产物质量分数;热解终温中图分类号:X705文獻标识码:A文章编号:16722175(2007)0418904污泥是城市污水处理及废水处理不可避免的副产品,且产量巨大。据估计,全世界一年产生的干污泥量达1亿,而我国约2×105随着人类环保意识的提高和全球资源逐渐匮乏,污泥的处理和资源化利用已成为目前一个世界性的环境、社会和能源问题。目前常见的污泥处理方法有农用、填埋和焚烧。由于前两种方法均需要一定的土地,而占总处理成本25%~50%的燃料费用又使焚烧成为相当昂贵的污泥处理方法。污泥低温热解技术由Byer和Bidl进行了实验室研究,证明是一个能量自给有1-温控仪2热电偶3加热炉4反应器余的过程国。污泥低温热解燃料化技术由于能有效5充氮管6收集器7温度计8换热器9U型差压计10取气口11气体流量计利用污泥中的有效成分,实现污泥减量化、无害化、稳定化和资源化而成为当前污泥处理技术研究开图1实验装置发的一大方向。影响污泥热解的主要因素有污泥种Fig. I Diagram of pyrolysis equipment类、反应温度和反应时间等。 CamPbel等人在仪等组成。加热炉采用固定床外热式电加热炉,功275~550℃范围内对生污泥和厌氧发酵污泥进行了率为75kW。热解反应器由耐高温不锈钢材料制研究,以最大的产油率为目的,得出最佳反应条件成,直径为200mm,高度为350mm。反应器盖上是:温度40℃,停留时间05h。 Ozlem Onay、设有出气管、充氮管和4只热电偶。3只热电偶位海英等对城市污水污泥热解温度对产物分布的于反应器的同一径向,用于测物料的温度变化;另影响做了较详细的研究,但没有提及温度对产物热1只热电偶位于反应器内物料的上空,用于测反应值的影响、升温速率的影响及热解能耗问题。本文器内热解气的温度。为使热解气中的可凝结物质充从热解温度和升温速率对污泥热解产物分布及特分冷凝下来,采用3组U型套管式水冷冷凝器进行性的影响做了详细分析,并对热解产物的热值和热冷凝,在其底部装有收集冷却热解液的收集器。去解能耗方面作了简述,为污泥的工业热解提供理论除可凝气体后的不凝性气体经过流量计排出室外和实验支持。燃烧。在冷凝器和流量计之间的U型差压计测量系1实验部分统内的压力变化。11实验装置12实验物料实验装置如图1所示门,由加热炉、热解反应本实验物料采自唐山西郊污水处理厂的肥料器、冷凝器、U型差压计、气体流量计、温度控制生产厂,采集的时间分别在三月份和四月份。污泥作者篱介:高现文(1981-).男,硕士研究生,研究方向为污泥资源化及燃料电池。 E-mail: gaxian@163com通讯联系人,Tc13775353059; E-mail: gaoxianwen@163cm收搞日期:200704151190生态环境第16卷第4期(2007年7月)囊1污泥的工业分析和元囊分析Table I Industrial analysis and ultimate analysis of sewage shudge工业分析w/%元家分析w/%olatile matter Fix30.15的工业分析和元素分析如表1。自然风干后的物料颗粒直径在1cm以下,为保证实验物料的成分和实验测量的准确度,干物料在装入反应器前,在105℃的电热烘箱中烘烤2-4h,保证95%以上的水分析出。13实验方法和实验条件13.1实验准备和测量(1)实验前将排气管道在碱性水中冲洗,然后用电吹风吹于,称其质量。(2)调节温控仪:调节温控仪使其实现实验所需升温曲线。在此,把加热炉壁温作为温度控制的300360400480温度℃反馈信号。图2热解时间随热解线温的变化曲(3)称装物料:用精度为001g的电子秤称取Fig. 2 Pyrolysis time at various ultimate temperatures物料约1kg装入圆柱状的反应器中,物料放入后占到反应器高度的三分之一左右。反应器和反应器盖解反应中,热解时间会加长,终温越高所需的热解之间用石棉垫圈密封,由12只耐高温的螺栓加固。反应时间越长;当温度大于450℃后,大部分可热然后把反应器放人圆柱形的固定加热炉中,并连结解成分都已参与到热解反应中,这时主要表现为好排气管道和U形管套筒式换热器及热电偶。随温度升高热解时间迅速缩短而与升温速半的关(4)实验测量:开炉之前先用氮气检漏,读取系不大。此后,热解所需时间随热解终温升高缓慢电表和流量计读数。打开炉子和控温仪的同时计时下降。开始,在整个实验期间每隔5min记录一次热电偶22热解终温对产物质量分数的影响和流量计读数;在保温段每隔10mn读取一次。当热解产物的质量分数随热解终温的变化如图3排气管处的流量计读数变化到0002m3min1且保示。从图3中可以看到随终温的升高焦炭质量分数持3次以上不变时,实验可以结束。停炉后读取电减小、气的质量分数增大,而焦油质量分数则有个表读数,使炉子自然冷却。为了比较分析,进行了高峰期(在500℃左右)产油高峰期后,气的质10℃mn、15℃min2两种升温速率下的实验。量分数明显增加。这与文献[8]的描述一致,但最132热解产物的热值和工业分析大焦油质量分数大于30%。这主要是由于500℃后用GR-3500型氧弹式热量计对热解焦炭和焦有部分焦油发生了二次分解0,分解为热解气。500油进行热值分析,实验中样本质量为1g,氧弹中℃后焦炭质量分数随温度升高而降低不再明显。因氧压为25-30MPa用烘箱和马费炉对焦炭进行工业分析,把1g的焦炭在烘箱中以105~110℃烘1h马费炉中以80℃烤直到恒重用差重法分别测3∞出焦炭的水分、挥发分、灰分和固定碳的质量分数。2结果和讨论21热解终温对热解反应时间的影响污泥热解反应时间随热解终温的变化如图2所示。由图2可知,在终温为450℃时,热解时间最长。终温小于400℃时主要反应是脱水和小部分脱350400450气,在没有催化剂、没有流动的情况下热解反应所热解终温/℃需的时间很长,并且受升温速率影响较大。当温度图3焦炭、油、气的质量分败雕热解蜂温的变化达到400450℃之间时,越来越多的物质参与到热Fg3 Mass fraction of coke、 and gas at various ultimate tamperatures高现文等:温度对污泥热解产物及特性的影响15℃mn國定礦择发份热解温度图4集炭的工业分析图椠电量随热解峰温的变化为此后焦炭中的挥发分减少,固定碳和灰分增加,Fig 6 Power consumption aM various ultimate temperatures焦炭的工业分析各值变化如图4所示。大。 Puchong Thipkhunthod等对不同的污泥样品23热解终温对产物热值的影响进行了热解和热重实验,结果表明污泥开始热解的焦炭和焦油的热值在1043M且随热解终温度为250-300℃,在更高的温度存在二次分解。温的变化如图5示,从图5可看出焦炭的热值随热通过对唐山西郊污水处理厂污泥的热解研究表明:解终温升高而降低;焦油的热值有一个峰值,这是(1)当热解终温小于450℃时,污泥的热解时由于前面提到的二次分解造成的。焦油的二次分间随热解终温的升高而增加;大于450℃时污泥的热解时间随热解终温的升高而减少。45000(2)热解气的质量分数随热解终温升高而增10Cmin大;500℃前焦油的质量分数随温度升高而增大35000500℃后随温度升高而减小;焦炭的质量分数随温B3000度升高而减小。温度对热解的影响要大于加热速率的影响1250003)焦油的热值在500600℃的情况下达到最瓢炭热大,500℃左右焦油质量分数最大,从能耗方面看15000500℃也是一个最佳的产油热解温度。10000(4)从焦炭的工业分析看,随热解终温升高焦热解终温/℃炭中挥发分质量分数减小,灰分和固定碳质量分数图5焦炭和油热值随热解编温的变化增大。Fig 3 Heat value of coke, tar at various ultimate temperatur参考文献:解原理详见文献[3[]张统SBR及其变法污水处理与回用技术M北京:化学工业出版24热解终温对耗电量的影响社2003:302-303图6示出了耗电量随热解终温的变化。耗电量ZHANG Tong Sewage treatment and reclaim technique for的影响因素包括物料湿度、升温速率、热解终温等its deformation ) Beijing: Chemical Industry Press, 2003: 32从图6可以看出,在450℃处有峰值,到500℃后[2] LUTZ H, ROMEIRO G A, DAMASCENO RN, e al Low temperture conversion of some Brazilian municipal and industrial sludges]又随温度升高而增大。在450℃到500℃之间有一Bioresource Technology, 20007, 4: 103-107个降低的过程,主要是因为在450℃之前的二次分凹赵庆禅.污泥资源化技术队M,北京:化学工业出版社,202:解还不强烈3结论ZHAO Qingxiang. Reource utilization technique of shudge [ M]. Be-M Inguan2利等在升温速率为5℃min1和60 jing: Chemical Industry202612℃minl,终温为450850℃条件下得出城市污泥的{朱开金马忠亮污混处理技术及资额化利用时北京化学I业热解在低温段受升温速率影响较大,随着热解终温出版社2007:20.HU Kijin, MA Zhongliang Disposal technique and resource utiliz的升高焦炭的质量分数减小,热解气的质量分数增on of shudge[M]. Bejing: Chemical Industry Prea, 2007: 20.生态环境第16卷第4期(2007年7月)[5] ONAY O. Influence of pyrolysis temperature and heating rate on the1498-1508production of bio-oil and char from safflower seed by pyrolysis,uing[】尹军谭学军污水污泥处理处置与资源化利用M北京:化学工welk-swept fixed-bed reactor UJ]. Fuel Processing Technology, 2007,业出版社,20051:153YIN Jun, TAN Xuejun. Tisposal and resource utilization of sewage6]李海英张书廷,赵新华城市污水污泥热解温度对产物分布的影dgc[M]. Beijing: Chemical Industry Press, 2005: 153响[太阳能学报2006,27(8)835-840.[12] CABALLERO J A, FRONT R, MARCILLA A, et aL CharacterizationLI Haiying, ZHANG Shuting, ZHAO Xinhua Intluence of pyrogenof sewage sludges by primary and secondary pyrolysis[]. Joumal oftion temperature of sewage aludge on product distribution J) Acta En-Analpical and Applied Pyrolysis, 1997(40/41): 433-450.rgise Solaris Sinica, 2006, 27(8): 835-840.3李海英张书廷城市污水污泥热解实验及产物特性门天津大学门王艳,张书廷,张于峰,等城市生活垃圾低温热解产气特性的实报2006,39(5):739744验研究叮然料化学学报2005,33(1):6265L Haiying, ZHANG Shuting. Pyrolysis expcriment of municipalWANG Yan, ZHANG Shuting, ZHANG Yufeng, et al Gas formationsewage sludge and characteristics of fractions[]. Transactions of Tiam-characteristics during low temperature pyrolysis of municipal house-jin University, 2006, 39(5): 739-744.old garbage Joumal Fuel Chemistry Technology, 2005, 33(1): [14] INGUANZO M, DOMINGUEZ A, MENENDEZ J A, et al.Oa the62-65pyrolysis of sewage sludge: the influence of pyrolysis conditions on[8] SHEN Lilly, ZHANG Dongke. An exppweimental study of oil recov-solid, liquid and gas fractions[J] Journal of Analytical and Appliodcry from sewage sludge by low-temperature pyrolysis in a fluid-Pyrolysis,200263:209-222ized-bed(]. Fuc.2003,82:465-472[15] THIPKHUNTHOD P, MEEYOO V, RANGSUNVIGIT P, a al Pyro-[9] Dominguez A, Menendez JA, Pisl JJ. Hydrogen rich fuel gas produlytic characteristics of sewage sludge]. Chemosphere, 2006, 64tion from the pyrolysis of wet sewage sludge at high temperature[J]955962Pyrolysis,2006,77:217-132.[16] AYLLON M, AZNAR M, SANCHEZJL, et al. Infuence of tempera-[10] KARAYILDIRIM T, YANIK J, YUKSEL M Characterisation ofure and heating rate on the fixed bed pyrolysis of meat and boneproducts from pyrolysis of waste sludges). Fuel, 2006, 85:meal Chemical Engineering JoumaL, 2006, 121: 85-96.The effect of temperature on sludge pyrolysis productsand the relevant characteristicsGAO Xianwen, SHAN Chunxian, LI Haiying, HAO Jianxin, GAO Heming1. School of Energy and Power Engineering, Jiangsu University. Zhenjiang, Jiangsu 212013, China;School of Metallurgy and Encrgy, Hcbci Polytechnic University. Tangshan, Hebei 063009, ChinaAbstract: Temperature is a major factor to affect sewage sludge pyrolysis products. This experiment aims to find the optimized pyrolysis temperature. Equipment used is external-heat fixed bed reactor, 200 mm in diameter. The material is sewage sludge, collectedfrom Tangshan West Suburb Sewage Disposal Plant. Ultimate temperatures rank from 250C to 700 C, and at the beginning of eachexperiment, N2 is vented in. Data of the experiment indicates that: when material and other conditions are unchanged, pyrolysis reac.tion costs less time as ultimate temperature increases; mass fraction of pyrolysis gas and pyrolysis tar are increased; mass fraction ofcoke is decreased. Industrial analysis of pyrolysis coke indicates that: as the pyrolysis ultimate temperature increases, mass fractionof volatile is decreased; mass fraction of fixed carbon and ash are increased. Heat value of pyrolysis tar is at 10-43 MJkg;heatvalue of pyrolysis coke is at 10-24 MJ.kgKey words: sludge pyrolysis; characteristics of shudge pyrolysis products;, mass fraction of product; pyrolysis ultimate temperature