2007年12月南昌航空大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)Dec.,2007第21卷第4期Joumal of Nanchang Hangkong University Natural ScieneeVol 21 No, 4城市污水處理廠污泥熱解機(jī)理魏立安,涂麗麗,高標(biāo)(南昌航空大學(xué),江西南昌330063)[關(guān)鍵詞]污泥;熱重分析;熱解;動(dòng)力學(xué)參數(shù)[摘荽]本研究采用熱重分析儀對(duì)南昌市青山湖污水污泥進(jìn)行熱重分析實(shí)驗(yàn),分別獲得了20Kmin和40K/min加熱速率下污泥的TG-DTG曲線,得出了污水處理廠污泥的熱解待性。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)于燥污泥熱解過(guò)程進(jìn)行了分析且利用積分法確定了熱解機(jī)理求出反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)-頻率因子A活化能E。[中圖分類(lèi)號(hào)]x505[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A[文章編號(hào)]001-4926(2007)04-006-0Pyrolysis mechanism of municipal sewage sludgeWEI Li-an TU Li-li GAO BiaoNanchang Hangkong University, Nangchang 330069, China)Key words: sewage sludge; thermogravimetric; pyrolysis; kinetics parameterAbstract: In order to obtain the pyrolysis mechanism of sewage sludge, the thermal gravimetric analysis is used to study the mechanismof dried sewage sludge from Nangchang Qingshanhu Sewage Treatment Plant. The TG-DtG curve of sludge under the rising tempera-ture rates of 20K/min and 40K/ min are obtained. According to the results, the pyrolysis properties of sewage sludge were studied. Thedata obtained from experiments using differential coefficient methods were processed to determine the pyrolysis mechanism and the kimetics parameters of sewage sludge隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快,城市污水處理率逐年提高,城市污水處理廠的數(shù)目和污泥產(chǎn)量也急劇增加(。城市污水污泥與大部分有機(jī)廢物相同,含有大量易揮發(fā)性有機(jī)物質(zhì)。如此,用某種方法就能把這種貯存在污染中的能量,以熱量或作為燃料或制造出特殊的化學(xué)品的形式釋放出來(lái)2。一般用三種方法來(lái)利用其中的能量:直接燃燒、氣化和熱解。其中熱解法在最近幾年受到了越來(lái)越多的關(guān)注。本實(shí)驗(yàn)采用熱重分析法對(duì)南昌市青山湖污水處理廠污泥的熱解特性進(jìn)行了研究。1·污泥熱解特性實(shí)驗(yàn)1.1實(shí)驗(yàn)原料污泥樣品為南昌市青山湖污水處理廠的消化后污泥。在103℃空氣環(huán)境中烘烤去除水分后粉碎,經(jīng)40目篩分得到于基樣品并放入干燥皿內(nèi)備用。首先對(duì)樣品進(jìn)行理化分析得到的結(jié)果如表1所見(jiàn),污泥具有揮發(fā)分和灰分很高、固定碳含量低,熱值很低的特點(diǎn)。表1污泥樣品的理化分析數(shù)據(jù)表元素分析(干基,w%)工業(yè)分析/%低位熱值揮發(fā)分灰分國(guó)定礦污泥樣品(K/Kg)2,430.895.4731.265.07.107收萚日期]2007[基金項(xiàng)目]江西省科技廳重大科技專(zhuān)項(xiàng)(20041A040202)。[作者簡(jiǎn)介]魏立安(1963-),男,江西省定南人,南昌航空大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院教授碩士生導(dǎo)師,主要從事環(huán)境工程清潔生產(chǎn)與循環(huán)經(jīng)濟(jì)方面的研究。中國(guó)煤化工第4期魏立安涂麗麗、髙標(biāo):城市污水處理廠污泥熱解機(jī)理671.2熱失量分析本實(shí)驗(yàn)采用日產(chǎn) PyrisDiamond TG/DTA研究污泥的熱解特性,取5870mg和3.742mg燥污泥樣品,實(shí)驗(yàn)氣氛為氮?dú)?從室溫開(kāi)始加熱,程序終止溫度為800℃,加熱速率分別為20K/min和40K/min,圖1和圖2為實(shí)驗(yàn)的TG-DTG曲線1080800T/C圖1南昌青山湖污水處理廠污泥TG-DTG曲線(20K/min)垂00TGDTG80200600800圖2南哥膏山湖污水處理廠污泥TG-DTG曲線(40Kmim)由TG-DTG曲線可以發(fā)現(xiàn),污泥在不同的加熱速率下的TG-DTG形狀相似,失重規(guī)律也基本相同,主要分為兩個(gè)明顯階段:(1)水分析出階段,其中圖1為室溫至172.589℃,圖2為室溫至176370℃,而且都存在兩個(gè)失重峰,其中圖1的第二個(gè)失重峰不是很明顯。第一個(gè)失重峰溫度分別為72.7514℃和75.1650℃,失重速率分別達(dá)到-0.387%min和-0.63985%/mn,這一階段水析出主要是由于樣品在保存和實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的表面水分吸收導(dǎo)致的;第二個(gè)失重峰溫度分別為128143℃和133.595℃,失重速率分別達(dá)到036724%/min和-0.63931%/min這一階段水析出主要是由于污泥內(nèi)在結(jié)合水分蒸發(fā)導(dǎo)致的3;(2)揮發(fā)分析出階段析出溫度范圍分別為172589℃~591281℃和176.370℃~597154℃,這個(gè)溫度段為整個(gè)熱解過(guò)程失重最大的階段,其中最大的失重速率分別出現(xiàn)在339208℃和352.814℃,失重速率分別為225282%/mn和-3.92748%/min,而且兩者在400℃附近都存在一個(gè)很小的失重峰,證明了揮發(fā)分中存在兩類(lèi)化學(xué)鍵能比較接近的成分6,這一階段主要是有機(jī)物的分解階段,揮發(fā)分主要在這一階段析出;從H中國(guó)煤化工南昌航空大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)571.281℃和597.154℃到加熱終溫,兩樣品的失重率幾乎沒(méi)有變化,說(shuō)明熱解過(guò)程已經(jīng)結(jié)束2污泥熱解動(dòng)力學(xué)參數(shù)的求解2.1污泥熱解動(dòng)力學(xué)參數(shù)的求解原理在進(jìn)行固體熱解氧化反應(yīng)研究時(shí),通常采用以下公式來(lái)表示:d其中:a是T溫度時(shí)的相對(duì)失重百分?jǐn)?shù)或轉(zhuǎn)化率;a=GrCn為未反應(yīng)的失重率;Gr為T(mén)時(shí)刻的失重率;G7m為反應(yīng)截止時(shí)刻的失重率。E由 Arrhenius方程可以知道Aexp(2)本實(shí)驗(yàn)中采用固定的升溫速率B=,結(jié)合式()和(2),可以得出方程;AE°expTf(α)B(3)采用積分方法來(lái)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析由G(a)=da d身·e鄧(P)dT得到:f(a)f(a) BG(a)=RT(4)經(jīng)過(guò)一系列的數(shù)學(xué)變換可以得到G(a)AR1-2()E(5)BErt.RT由于<1,所以上式右邊第一項(xiàng)可近似當(dāng)作常數(shù)項(xiàng):AR、ET2BE RT(6)綜合以上數(shù)學(xué)推論,我們就可以得到:如果能找到一個(gè)正確描述反應(yīng)或者近似正確描述反應(yīng)機(jī)理函數(shù)表達(dá)式f(a),則hn[21]與對(duì)應(yīng)的圖線應(yīng)該為一條直線該直線的斜為、E截距為8°22機(jī)理函數(shù)的選擇由Coas- Redfern方程得(7:ARTE、_RT2RT2(a BExPRTEbedi f(a當(dāng)a=0.5時(shí)RTC(0.5)=0.5Be dt.f(T2GOG(0.5)T205f(a0.5)da.5G(af(a)_TG(0.5)f(as)do0.5中國(guó)藻化工第4期魏立安涂麗麗、高標(biāo):城市污水處理污泥熱解機(jī)理dt令Q(a)(afa-I=Y(a)(9)G(0.5)f(as0.5將TG-DT實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)a、分別帶入(9)式的右端,然后以a對(duì)Y(a)作關(guān)系曲線構(gòu)成a-Y(a)實(shí)驗(yàn)曲線;將數(shù)據(jù)a和20種常用固體反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型函數(shù)G(a)f(a)帶入式(9)的左邊,作關(guān)系曲線構(gòu)成aQ(a)標(biāo)準(zhǔn)曲線。若實(shí)驗(yàn)曲線與標(biāo)準(zhǔn)曲線重疊,或?qū)嶒?yàn)曲線與某一條標(biāo)準(zhǔn)曲線最為接近,則判定該標(biāo)準(zhǔn)曲線所對(duì)應(yīng)的動(dòng)力學(xué)模型函數(shù)式f(a)為該反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)模型函數(shù)。判定的方法通常采用圖形目測(cè)比較。根據(jù)差熱曲線,利用微分方法可以求解污泥的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)f(a)是與熱解機(jī)理相關(guān)的函數(shù),它的大小取決于反應(yīng)機(jī)理函數(shù)f(a)=(1-a)其中n為反應(yīng)級(jí)數(shù)。求解這個(gè)反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)我們采用最常用的微分法。微分法是利用DTG曲線進(jìn)行計(jì)算,通過(guò)DG峰前、后不問(wèn)反應(yīng)級(jí)數(shù)的擬合可以看出,峰后n=2時(shí)線性度最好lP2]與相關(guān)程度最高(a)=(1-a)2時(shí)最適合描述反應(yīng)的機(jī)理過(guò)程,此時(shí)的G(a)=(1-a)-1o將兩種加熱速率下的α值和求解得到的動(dòng)力學(xué)機(jī)理模型f(a)、G(a)代入式(6),得到不同升溫速率下的動(dòng)力學(xué)參數(shù),結(jié)果見(jiàn)表2。趙2動(dòng)力學(xué)參數(shù)求解結(jié)果B/K回歸方程相關(guān)系數(shù)R活化能E/k/mol指前因子M/104min1Y=3.672X+7.1360.994430.5339.233Y=3.147X+8.1820.990826.16345,033結(jié)論1)南昌污水污泥在氮?dú)鈿夥障聼峤獯嬖趦蓚€(gè)明顯的階段:水分析出階段和揮發(fā)分析出階段,而且每個(gè)階段都存在兩個(gè)失重峰;加熱速率在20K/min和40K/min的情況下,最大失重速率分別出現(xiàn)在339.208℃和352.814℃。2)污泥在不同的加熱速率下的TG-DG形狀相似,失重規(guī)律也基本相同,但由于在各個(gè)溫度段所保持的時(shí)間不同,導(dǎo)致在40K/mn時(shí)比20K/min時(shí)達(dá)到各個(gè)失重段的溫度都有所提高。3)利用積分法求得南昌污水污泥的動(dòng)力學(xué)模型為(α)=(1-α)2,并且求解得到不同熱解速率下的污泥的熱解動(dòng)力學(xué)參數(shù),即活化能E和頻率因子A。[參考文獻(xiàn)[1]宋秀蘭,李亞新污泥資源化技術(shù)的研究進(jìn)股[打化工環(huán)保2006,26(4):291-2942] 1. 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