城市污泥和煤混燃特性的热重分析法研究

第18卷第6期热能动力工Vol. 18 No 62003年11月JOURNAL OF ENGINEERING FOR THERMAL ENERGY AND POWERNov.,2003文章编号:001-206(20006-0561-03城市污泥和煤混燃特性的热重分析法研究顾利锋陈晓平赵长遂吴新〔东南大学洁净煤发电与燃烧技术教育部重点实验室,江苏南京210095)摘要利用热重分析法对某城市污泥和某煤种及其两者混2.2试验条件合物的着火温度、活化能及综合燃烧特性等参数进行了研试样粒度:<200目(0.074mm)按比例混合均究。试验结果表明混合试样和煤相比其活化性能得到了提匀后取样高着火温度提前综合燃烧性能下降。在混燃过程中煤和试验氛围空气流量85mL/min左右城市污泥基本上保持了各自的挥发分析岀特性煤的燃烧表试样质量xmg左右现得更为明显。升温速率:20℃/min,升温至1000℃后恒温5关键词城市污泥煤混燃热重分析法中图分类号IK16文献标识码:A2.3试验内容通过对TG曲线和DIG曲线的分析来研究某城前言市污泥和某煤种按不同比例掺混后着火温度、活化能和综合燃烧特性指数等参数的变化规律。各试样城市污泥是城市废水处理的终端产物。城市污的成分分析如表1所示。本文采用加权平均的方法泥即使经过脱水处理后水分仍较多热值较低若直来计算污泥和煤混合后的成分。接作为燃料不易稳定燃烧而且燃烧产生的热量较难满足工业锅炉供热和发电的需要。因此考虑将城表1试样成分分析市污泥脱水后和煤混合作为锅炉燃料,为城市污泥试样编号1号试样2号试样3号试样4号试样5号试样混合比例煤污泥)1:02:11:11:2的最终处理寻求一条经济合理的途径以便达到节业分析/%挥发分A29.5637.3041.1745.0352.77约能源、提高企业经济效益和保护环境的目的。为定碳FC44.61329127.0621.209.50了对城市污泥和煤的混料的燃烧规律有一个基本的灰分A23.6525.1125.8426.6028.06元素分析碳C58.8447.1341.2735.4123.70了解我们利用热重分析法对其进行了初步的研究,氢3.534.104.394.675.24硫为其今后的工业应用提供一定的理论依据。0.560.660.70.760.86氮N0.92.212.853.4910.3016.1119,0121,9027.712试验部分3试验结果与分析2.1试验装置3.1单一及混合试样的动力学分析试验采用法国 Setaran公司TGA92型热重-差忽略温度对活化能的影响并假设反应符合简热分析仪可获得试样的热重曲线、微商热重曲线单动力学方程即:差热曲线和热流曲线。主要技术数据如下热天平精度⑩.1缌g最大试样量200mg温度精中国煤化工度:±2℃温度范围室温~1600℃试验气氛空式中CNMH常数i一反应级数气、惰性气体升温速率0.01~99.99℃/mina-转化率定义如下收稿日期003-02-28;修订日期2003-04基金项目江苏省建设厅基金资助项目JS20)江苏省科技厅基金资助项目(BS2001029)作者简介疯科数据-)男江苏海门人东南大学硕士研究生562热能动力工程2003年Wa= Wo- w(2)3.2.2燃尽温度的确定本文将试样失重占总失重99%时对应的温度式中W和W分别为试样的初始质量和反应结束定义为燃尽温度t。时的质量,W是时间τ时试样的质量。由3.2.3综合燃烧特性指数的确定Arrhenius阿累尼乌斯)公式得为了全面评价试样的燃烧情况我们采用文献ks de rt3)[3]中描述煤的综合燃烧特性指数S来对我们试验式中:—频率因子;E—活化能R—理想气体常中的单一试样和混合试样的燃烧情况进行描述数;7一试样温度。dw/dt m( dw/dt定义升温速率(9)p dr(4)式中S一综合燃烧特性指数〔d/d)为最大燃烧速度%/min(dw/dz)为平均燃烧速度%/minT联立式(1)~式4),可以得到为着火温度K江r为燃尽温度K综合燃烧特性指数dt p(1-ay〔5)全面反映了试样的着火和燃尽性能S的值越大说明试移项积分得样的综合燃烧性能越好。各试样燃烧特性参数如表3所示。各试样燃烧(1-aydT(6)特性曲线见图试取n=1参考文献1]积分并整理上式后得到:3.3燃烧特性分析=[(1-2F比较表3中的数据我们发现随着在煤中掺入E污泥比重的增大,试样的着火温度由390℃提前到280℃燃尽温度也相应地由740℃提前到704℃。令1-2TE由于大部分E的数由表1中的数据我们看到污泥中的挥发分含量很值较大对一般范围的反应温区而言a的值几乎都高达到527%而比较难燃的固定碳的比重相当是常数令b=R=7y=-(1小为9.50%因此污泥极易燃烧燃尽温度相对也E较低。煤和城市污泥相混后:由于污泥中的挥发分则有:能够在较低的温度下迅速析出使得试样的着火性Y= a+ bX能得到了较大的改善。在燃烧动力学参数中活化由上式作图求出该直线的斜率,即可方便地求出能是一个十分重要的参数,它代表反应物的分子由化能E和频率因子A各试样的动力学参数如表2所初始稳定状态变为活化分子所需吸收的能量。活化示。由表2可知我们将单一试样和混合试样的整个能比着火温度更能从本质上描述试样的着火性能燃烧过程当作一级反应来描述是比较合理的。比较表2中的数据我们发现1号试样煤)活化3.2燃烧特性参数的确定能为%6.1kJ/mol而2号试样2l煤/污泥)活化3.2.1着火温度的确定能即减少为56.0kJ/mol这说明在煤中加入少量的本文采用TG-DG法21来确定试样的着火温污泥就可使其活化性能得到较大的提高。随着试样度中污泥比重的增大,着火温度提前活化性能提高,两者的变化趋势是一致的。表2试样燃烧动力中国煤化工式样编号拟合方相关系数CNMH活化能/ml号试样0.993002号试样Y=-4.41093-6740.08812X0.990852077.256.03号试样Y=-4.43719-6646.34129X0.979824号试样0.96169Y=-7.76766-3590.46928X0.96770第6期顾利锋等城市污泥和煤混燃特性旳热重分析法研究563表3试样燃烧特性参数表泥含量较小或者和煤的含量相当时次峰并不明显试样编号t/℃/℃(dm((dm(1m5×10p只有当污泥的含量较大时次峰表现得才较为突出1号试样3907409.974在发生燃烧反应的温度区间内混合试样DrG曲线3.982号试样3707307.462的变化趋势和煤的DTG曲线变化趋势更为接近这3号试样3507257.3752.933些表明在混合试样的燃烧过程中煤的燃烧表现得更4号试样3007184.7562.7590.403为明显5号试样2807045.3281号试样从表3中的数据还发现随着试样中污泥比重·-2号试样4-3号试样的增大,试样的综合燃烧特性指数由0.892×10-4号试样◆-5号试样min-2K-3减小为0.399×10- II min-2K-3,表明其综合燃烧性能逐渐下降。分析表1中的数据我们发现尽管污泥中挥发分的含量很大但是所占份额最多的是氧元素占整个挥发分含量的52.5%。氧虽米然能助燃但是它在试样中的含量比之大气中氧含量是微不足道的。城市污泥中的氮元素含量(476%池要比煤中的含量(0.94%)很多但是氮既0100200300400500600700800不可燃烧又无助燃作用而且在燃烧反应中会生成温度/℃有害气体NOx。氢和硫是可燃元素其中硫的发热量较低而氢的发热量最高。但是不管是在煤中还是在城市污泥中两者的含量都很小且相差不大。碳图1试样燃烧特性曲线元素在煤和城市污泥中的比重都是最大的,且碳的4结论发热量很高在燃烧中起主导作用。通过比较表1中的数据我们发现煤中碳元素的含量为58.84%针对我们所选的某城市污泥和某煤种对其单而城市污泥中碳元素含量为23.70%前者将近为独及按不同比例混合后进行的热重试验表明迕煤后者的2.5倍。从表3中的数据还发现煤的最大中掺入城市污泥后,混合试样和煤相比其活化性能燃烧速度和平均燃烧速度分别为9.974%min和得到提高着火温度提前但是综合燃烧性能却是下3.982%/mi分别大于城市污泥旳5.328%/mi和降旳。在混合试样的燃烧过程中煤和污泥基本上2.235%/min可见煤燃烧起来要比城市污泥剧烈得保持了眢自的挥发分析岀特性煤的燃烧表现得更多。当煤和城市污泥混合后尽管着火温度和燃尽温为明显。度有所提前但是燃烧的剧烈程度明显下降其综合燃烧性能下降。参考文献由图1我们发现混合试样DTG曲线上的最大[1]陈镜泓李传儒热分析及其应用M北京科学出版社1985燃烧峰对应温度在500℃左右和煤的DG曲线燃[2]聂其红孙绍增褐煤混煤燃烧特性的热重分析法研冠J燃烧峰所对应的温度基本一致D曲线上还可以[31陈建原煤粉着火过程与着火模型的研究D1武没华中理工看到在此之前有一个次峰所对应的温度在320℃左右和污泥DrG曲线燃烧峰所对应的温度基本H中国煤化工致这表明混合试样燃烧时试样中的煤和污泥基本CNMHG(辉编辑)上保持了各自的挥发分析出特性。当混合试样中污