城市污泥燃烧特性与动力学研究

第44卷第6期锅炉技术Vol. 44, No 62013年11月BOILER TECHNOLOGYNov.,2013城市污泥燃烧特性与动力学研究赵改菊1,尹凤交1,张宗宇1,盛成2,王成运1,李选友1(1.山东省科学院工业节能研究中心,山东济南250103;2.深圳中广核工程设计有限公司,广东深圳518129)摘要:利用热分析仪研究了升温速率等试验参数对城市污泥燃烧特性的影响,并通过改进的 Coats-Redfern方法得出污泥燃烧过程中挥发分第一阶段、第二阶段以及焦炭段的最佳机理函数。结果表明:升温速率对污泥燃烧特性影响较大,但水分和粒径整体上对污泥燃烧特性影响不大;数值模拟结果与试验结果具有良好的一致性关键词:污泥;燃烧特性;动力学中图分类号:X705文献标识码:B文章编号:1672-4763(2013)06007504实验样品取自光大水务(济南)有限公司二0前言厂,恒温(105℃)干燥2h后,研磨、筛分得到不同城市污泥含有有毒有机物、病原微生物及重粒径(80目、70目、40目和10目)的污泥样品(除金属,对生态环境和人类活动构成了严重的威实验2.3外,均采用<80目的粒径)。其工业分胁目前,污泥处理的方法主要有卫生填埋、析和元素分析见下表1。通过计算,用蒸馏水配焚烧、干化和热处理、堆肥以及海洋倾倒等,其中比不同含水量的污泥样品。采用北京恒久科学焚烧法具有稳定化、无害化、减量化和资源化的仪器厂JCR-2型差热天平来分析试样的燃烧优点,是一种发展前景广阔的处置方法。与国外特性。相比,我国污泥焚烧所占比例份额明显偏低,因此结合我国国情,为在环境、能源和经济问题中表1污泥工业分析和元素分析表%项目数值寻找一个处置污泥最佳的平衡点,污泥焚烧技术的研究十分必要污泥燃烧过程是伴随温度变化的一种失工业分析重过程,因此可以采用热重法研究污泥宏观燃烧特性以及反应速率3-4。目前国内外采用热重法对污泥的热解和燃烧机理及动力学特4.67元素分析性进行了一定研究5-9,但均在恒定升温速率5.64和特定污泥直径条件下进行的研究。本文利0.44用热分析仪研究了升温速率、粒径、水分等参数对城市污泥进行了燃烧特性研究,并通过改2结果与分析进的 Coats-Redfern方法对污泥燃烧挥发分析2.1污泥燃烧特性试验出过程进行细致分析,为更深入认识污泥的燃烧过程,进而为污泥焚烧技术的发展提供理论在升温速率为17.97K/min,终温为850℃,依据。空气气氛的实验条件下,污泥的燃烧特性曲线如图1所示。1实验物料与方法中国煤化工CNMHG收稿日期:2013-02-01;修回日期:2013-06-22作者简介:赵改菊(1976-),女,博士,主要从事燃烧与污染物控制研究。锅炉技术第44卷11.65K/min-v- DTA42024, 41 K/min30000001503004506007509002图1污泥燃烧热重曲线0150300450600750900从图1可以看出,污泥燃烧可以分为4个阶图3升温速率对单位时间失重率的影响规律段:(1)第一阶段(室温~150℃):自由水和部分结合水的蒸发阶段。(2)第二阶段(192℃~384还可以得出:随着升温速率越高,污泥的着℃)即第一个挥发分燃烧阶段:挥发分析出的主火温度越高;各阶段的单位时间最大燃烧速率是要阶段,DTA曲线为一个放热峰该阶段挥发分逐渐增大的;污泥第二个挥发分燃烧阶段和焦炭燃烧十分剧烈。(3)第三阶段(34℃~516℃)燃烧段的最大燃烧速率所对应的温度是逐渐升即第二个挥发分燃烧阶段:剩余的挥发分的释高的;污泥的燃尽温度也逐渐升高。放,该阶段的最大失重率有所下降,对应的DTA随着升温速率的增大,各个阶段的燃烧特性放热峰的面积也有所下降。(4)第四阶段(680℃指数逐渐增大。左右):污泥中固定碳的燃烧阶段,失重并不明2.3粒径对污泥燃烧特性的影响规律显,对应的DTA放热峰的面积也相对较小图4所示为不同粒径的污泥燃烧单位温度2.2升温速率对污泥燃烧特性的影响规律失重率曲线,可以得出,在第一个挥发分燃烧阶污泥不同升温速率下燃烧的单位温度失重段,随着粒径的增大,最大燃烧速率有所下降,这率和单位时间失重率变化曲线如图2和图3所是因为,在燃烧初始阶段,随着污泥粒径的减小,示,可以看出:随着升温速率的升高DTG曲线向污泥的比表面积增大,能够和氧气更为充分的接右平移,产生热滞后现象,且第3、4阶段的热滞阶段的热滞触,从而燃烧更迅速。在第二个挥发分燃烧阶后现象相比第2阶段稍微明显一些,在第一个挥段,随着粒径的增大,最大燃烧速率有所增大。发分燃烧阶段,最大单位温度失重率逐渐减小,最大单位时间失重率有所增加,而在第二个挥发0.00440目分燃烧阶段以及焦炭燃烧阶段,最大单位温度失10目重率基本不变,而最大单位时间失重率明显0003增加。0.00211.65 K/min17.97 K/min0.0000.004-24.41 K/min5169 K/min0150300450600750900温度FC000图4粒径对单位温度失重率的影响规律0.000原因可能是污泥的挥发分的总量是一定的,第一个挥0.001中国煤化工率的增大烧0150300450600750900掉了较多CNMHG大燃烧速率的减小。在焦炭燃烧阶段,粒径大小对燃烧速率图2升温速率对单位温度失重率的影响规律基本没有影响第6期赵改菊,等:城市污泥燃烧特性与动力学研究还可以得出,随着粒径的增大,污泥着火温度泥的着火温度基本没有变化,第二个挥发分燃烧逐渐升高,依次为234℃、249℃、285.7℃。这是阶段最大燃烧速率对应的温度基本不受水分的因为,随着粒径的增大,污泥比表面积会相应的减影响。小,从而减小了污泥和空气中氧气接触的机会,使燃烧变得困难,从而着火温度升高。随着粒径的增大,燃尽温度基本不变。污泥燃烧的燃烧特性0.005指数随着粒径的增大,第一阶段分别为2.382.16、1.84,第二阶段分别为0.52、0.51、0.60。这个变化规律和污泥最大燃烧速率是一致的。24水分对污泥燃烧特性的影响规律图5所示为含水率为78%的污泥和干污泥100200300400500600700的燃烧单位温度失重率曲线。可以得出,对于第个挥发分燃烧阶段来说,湿污泥的最大燃烧速图5水分对单位温度失重率的影响规律率大于干污泥,这是因为随着污泥中的水分的蒸发,导致污泥有着更好的空隙结构,随着比表面3动力学研究积的增加,挥发分向外扩散所受的阻力减小,从而使第一个挥发分燃烧阶段的最大燃烧速率变采用 Coats- Redfern方法,拟合得出污泥燃大;第二个挥发分燃烧阶段的最大燃烧速率没有烧过程各个阶段的机理函数及化学动力学参数什么变化。由数据我们可以看出,湿污泥和干污如表2所示。表2污泥燃烧3阶段化学动力学参数阶段温度/℃机理函数活化能/(kJ·mol-)指前因子/(℃3·min2)-1挥发分11392-3842(1-0)+r(1-a)-+-1]1176.16.9×10挥发分(1-a)2.0×101焦炭592~7343(1-a)2/3/2[1-(1-a)1/)]5.3×1017其中,a为失重率一任一时刻污泥己失质量与污泥初始时刻质量的百分比。图1所示,污泥燃烧挥发分第一阶段与第二据处理后可以更加准确的预测污泥燃烧的宏观阶段DTG曲线有着重叠的部分,这说明实际上反应动力学机理。按照上面改进的方法,得到污上述方法分析的污泥第一阶段的动力学参数有泥挥发分2个阶段的动力学参数见表3。按照同失准确性,根据DTG曲线可以得到,污泥燃烧过样的方法对试验中的数据进行线性最佳化拟合,程中挥发分2个阶段的DTG应该接近对称的。结果发现对于挥发分第一阶段,相关性最好的假设燃烧过程中挥发分的两个阶段失重对称,对模型由Z一L一T扩散模型变成为二级简单反应,于挥发分第一阶段的燃烧,研究燃烧峰的上升而挥发分第二阶段,则由1.5级简单反应变成了沿,对于第二阶段,研究燃烧峰的下降沿,这样数三维扩散模型。表3污泥燃烧挥发分阶段化学动力学参数(改进方法)直线方程机理函数活化能/(kJ·mol-1)指前因子/(℃3min2)-1挥发分-1(192~384)y=11322.0x+6.9715(1-a)94.11.2×107挥发分2384-516)y=16147.2x+6.73903(1-a)20/2[1-(1-a)/2]1.36×10中国煤化工根据式(1)和式(2)对应的化学动力学参数下列两式的数CNMHG↓双比校,如图6见表3),利用 MATLAB,用龙格一库塔法求解所示锅炉技术第44卷段略有不同,在第一个挥发分燃烧阶段,湿污泥m:0-m;∞的最大燃烧速率大于干污泥,在第二个挥发分燃dg=∑a=∑ r: A, exp(-R7)f(a)(2烧阶段,着火温度、最大燃烧速率及其对应温度基本没有变化;(4)通过 Coats- Redfern方法,得出污泥燃试验值模拟值烧过程中挥发分第一阶段、第二阶段以及焦炭段的最佳机理函数,且经过数值模拟,模型与试验结果具有良好的一致性。参考文献[1]周旭红,郑卫星,祝坚,张云飞.污泥焚烧技术的研究进展].能源环境保护.2008,2(4):5-8150200250300350400450500550[2]乔显亮污泥的化学组成、土壤利用风险和复合污染土壤修温度AC复研究[D].南京:中国科学院南京土壤研究所,20033]刘淑静.污泥燃烧与污染排放特性研究[D].大连:大连理工图6污泥燃烧过程挥发分数值模拟大学,2007由图6可以看出,采用试验数据分析得到的41胡荣祖,史启热分析动力学[M]北京:科学出版最佳反应动力学模型对污泥燃烧过程模拟效果[5]温俊明,池涌,刘渊源,等,城市污水污泥的燃烧动力学研究比较理想,污泥挥发分的2个阶段都得到了良好.电站系统工程,2004,20(5):5-7.的重现。因此可以说,2组分平行反应模型对污[6]王裕明,胡建红冉景煜等混合工业污泥燃烧及动力学特泥的燃烧机理具有较好的适应性性实验研究[].中国电机工程学报,2007,27(17):44-50[7]李培生,李洁,胡益,等.基于DTA方法的污泥与煤混合物燃4结语烧反应动力学[].华中科技大学学报(自然科学版),2008(1)升温速率对污泥燃烧特性影响较大:当(8] Liao Yanfer, MaXiaogian. Thermogravimetric analysis of the升温速率增加时,污泥的着火温度、各阶段的最co-combustion of coal and paper mill sludge [JJ. Applied大燃烧速率、燃尽温度和燃烧特性指数均增加Energy,2010,87(11):3526-3532(2)粒径的变化对污泥燃烧特性并没有很大91 XiaoHanmin, Ma xiaoqian, Liu Kai Co-combustion kinetics的影响;of sewage sludge with coal and coal gangue under differentatmospheres[J]. Energy Conversion and Management, 2010(3)水分对污泥燃烧特性的影响在不同的阶51(10):1976-1980Study on Combustion Characteristics and Kineticof municipal Sewage SludgeZHAO Gai-ju, YIN Feng-jiao, ZHANG Zong-yu'SHENG Cheng?, WANG Cheng-yun, LI Xuan-you'(1. Industrial Energy Conservation Research Center of Shandong Academy of Sciences, Jinan 250103, China2. Shenzhen China Guangdong Nuclear Power Engineering Design Co, Ltd, Shenzhen 518129, China)Abstract: Abstract: The influence of test parameters, such as heating rate, on municipalsewage sludge combustion characteristics were studied by thermal analyzer and this paper obtained best mechanism function of the first volatile combustion stage, the second volatilecombustion stage and the char combustion stage through Coats-Redfern method. The resultsshow that, heating rate has greater influence on the sludge中国煤化工s, but thecontent of water and the size of particle has little influenceCN MH Gwas fairlyagreed with experimental resultsKey words sludge; combustion; Kinetics