生態(tài)環(huán)境2007,16(4)1189192http://www.jeesci.comE-mail:editor@jeesci.com溫度對污泥熱解產(chǎn)物及特性的影響高現(xiàn)文1,單春賢1,李海英2,郝建新',高鶴明11.江蘇大學(xué)能源與動力工程學(xué)院,江蘇鎮(zhèn)江21201312.河北理工大學(xué)冶金與能源學(xué)院,河北庸山063009摘要:溫度是污泥熱解產(chǎn)物及產(chǎn)物分布狀況的主要影響因素之一。為了確定最優(yōu)的熱解溫度,為不同的熱解工藝提供參考,用直徑為200mm的外熱式固定床反應(yīng)器,以唐山西郊污水處理廠剩余污泥為實驗物料,在終溫為250-700℃并在初期通氮氣的情況下,對污泥的熱解產(chǎn)物分布及特性進行了研究。實驗表明:在物料成分和其它條件不變的情況下,熱解反應(yīng)所需時間隨著熱解終溫的升高而縮短;熱解氣和熱解焦油的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大;焦炭質(zhì)量分?jǐn)?shù)減小。熱解焦炭的工業(yè)分析表明,隨熱解終溫的升高揮發(fā)分減少、固定碳和灰分增加。熱解集油的熱值在1043MJkg2之間;集炭的熱值10~24Mkg1之間。關(guān)鍵詞:污泥熱解;熱解產(chǎn)物特性;產(chǎn)物質(zhì)量分?jǐn)?shù);熱解終溫中圖分類號:X705文獻標(biāo)識碼:A文章編號:16722175(2007)0418904污泥是城市污水處理及廢水處理不可避免的副產(chǎn)品,且產(chǎn)量巨大。據(jù)估計,全世界一年產(chǎn)生的干污泥量達1億,而我國約2×105隨著人類環(huán)保意識的提高和全球資源逐漸匱乏,污泥的處理和資源化利用已成為目前一個世界性的環(huán)境、社會和能源問題。目前常見的污泥處理方法有農(nóng)用、填埋和焚燒。由于前兩種方法均需要一定的土地,而占總處理成本25%~50%的燃料費用又使焚燒成為相當(dāng)昂貴的污泥處理方法。污泥低溫?zé)峤饧夹g(shù)由Byer和Bidl進行了實驗室研究,證明是一個能量自給有1-溫控儀2熱電偶3加熱爐4反應(yīng)器余的過程國。污泥低溫?zé)峤馊剂匣夹g(shù)由于能有效5充氮管6收集器7溫度計8換熱器9U型差壓計10取氣口11氣體流量計利用污泥中的有效成分,實現(xiàn)污泥減量化、無害化、穩(wěn)定化和資源化而成為當(dāng)前污泥處理技術(shù)研究開圖1實驗裝置發(fā)的一大方向。影響污泥熱解的主要因素有污泥種Fig. I Diagram of pyrolysis equipment類、反應(yīng)溫度和反應(yīng)時間等。 CamPbel等人在儀等組成。加熱爐采用固定床外熱式電加熱爐,功275~550℃范圍內(nèi)對生污泥和厭氧發(fā)酵污泥進行了率為75kW。熱解反應(yīng)器由耐高溫不銹鋼材料制研究,以最大的產(chǎn)油率為目的,得出最佳反應(yīng)條件成,直徑為200mm,高度為350mm。反應(yīng)器蓋上是:溫度40℃,停留時間05h。 Ozlem Onay、設(shè)有出氣管、充氮管和4只熱電偶。3只熱電偶位海英等對城市污水污泥熱解溫度對產(chǎn)物分布的于反應(yīng)器的同一徑向,用于測物料的溫度變化;另影響做了較詳細的研究,但沒有提及溫度對產(chǎn)物熱1只熱電偶位于反應(yīng)器內(nèi)物料的上空,用于測反應(yīng)值的影響、升溫速率的影響及熱解能耗問題。本文器內(nèi)熱解氣的溫度。為使熱解氣中的可凝結(jié)物質(zhì)充從熱解溫度和升溫速率對污泥熱解產(chǎn)物分布及特分冷凝下來,采用3組U型套管式水冷冷凝器進行性的影響做了詳細分析,并對熱解產(chǎn)物的熱值和熱冷凝,在其底部裝有收集冷卻熱解液的收集器。去解能耗方面作了簡述,為污泥的工業(yè)熱解提供理論除可凝氣體后的不凝性氣體經(jīng)過流量計排出室外和實驗支持。燃燒。在冷凝器和流量計之間的U型差壓計測量系1實驗部分統(tǒng)內(nèi)的壓力變化。11實驗裝置12實驗物料實驗裝置如圖1所示門,由加熱爐、熱解反應(yīng)本實驗物料采自唐山西郊污水處理廠的肥料器、冷凝器、U型差壓計、氣體流量計、溫度控制生產(chǎn)廠,采集的時間分別在三月份和四月份。污泥作者籬介:高現(xiàn)文(1981-).男,碩士研究生,研究方向為污泥資源化及燃料電池。 E-mail: gaxian@163com通訊聯(lián)系人,Tc13775353059; E-mail: gaoxianwen@163cm收搞日期:200704151190生態(tài)環(huán)境第16卷第4期(2007年7月)囊1污泥的工業(yè)分析和元囊分析Table I Industrial analysis and ultimate analysis of sewage shudge工業(yè)分析w/%元家分析w/%olatile matter Fix30.15的工業(yè)分析和元素分析如表1。自然風(fēng)干后的物料顆粒直徑在1cm以下,為保證實驗物料的成分和實驗測量的準(zhǔn)確度,干物料在裝入反應(yīng)器前,在105℃的電熱烘箱中烘烤2-4h,保證95%以上的水分析出。13實驗方法和實驗條件13.1實驗準(zhǔn)備和測量(1)實驗前將排氣管道在堿性水中沖洗,然后用電吹風(fēng)吹于,稱其質(zhì)量。(2)調(diào)節(jié)溫控儀:調(diào)節(jié)溫控儀使其實現(xiàn)實驗所需升溫曲線。在此,把加熱爐壁溫作為溫度控制的300360400480溫度℃反饋信號。圖2熱解時間隨熱解線溫的變化曲(3)稱裝物料:用精度為001g的電子秤稱取Fig. 2 Pyrolysis time at various ultimate temperatures物料約1kg裝入圓柱狀的反應(yīng)器中,物料放入后占到反應(yīng)器高度的三分之一左右。反應(yīng)器和反應(yīng)器蓋解反應(yīng)中,熱解時間會加長,終溫越高所需的熱解之間用石棉墊圈密封,由12只耐高溫的螺栓加固。反應(yīng)時間越長;當(dāng)溫度大于450℃后,大部分可熱然后把反應(yīng)器放人圓柱形的固定加熱爐中,并連結(jié)解成分都已參與到熱解反應(yīng)中,這時主要表現(xiàn)為好排氣管道和U形管套筒式換熱器及熱電偶。隨溫度升高熱解時間迅速縮短而與升溫速半的關(guān)(4)實驗測量:開爐之前先用氮氣檢漏,讀取系不大。此后,熱解所需時間隨熱解終溫升高緩慢電表和流量計讀數(shù)。打開爐子和控溫儀的同時計時下降。開始,在整個實驗期間每隔5min記錄一次熱電偶22熱解終溫對產(chǎn)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響和流量計讀數(shù);在保溫段每隔10mn讀取一次。當(dāng)熱解產(chǎn)物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨熱解終溫的變化如圖3排氣管處的流量計讀數(shù)變化到0002m3min1且保示。從圖3中可以看到隨終溫的升高焦炭質(zhì)量分?jǐn)?shù)持3次以上不變時,實驗可以結(jié)束。停爐后讀取電減小、氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大,而焦油質(zhì)量分?jǐn)?shù)則有個表讀數(shù),使?fàn)t子自然冷卻。為了比較分析,進行了高峰期(在500℃左右)產(chǎn)油高峰期后,氣的質(zhì)10℃mn、15℃min2兩種升溫速率下的實驗。量分?jǐn)?shù)明顯增加。這與文獻[8]的描述一致,但最132熱解產(chǎn)物的熱值和工業(yè)分析大焦油質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于30%。這主要是由于500℃后用GR-3500型氧彈式熱量計對熱解焦炭和焦有部分焦油發(fā)生了二次分解0,分解為熱解氣。500油進行熱值分析,實驗中樣本質(zhì)量為1g,氧彈中℃后焦炭質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨溫度升高而降低不再明顯。因氧壓為25-30MPa用烘箱和馬費爐對焦炭進行工業(yè)分析,把1g的焦炭在烘箱中以105~110℃烘1h馬費爐中以80℃烤直到恒重用差重法分別測3∞出焦炭的水分、揮發(fā)分、灰分和固定碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。2結(jié)果和討論21熱解終溫對熱解反應(yīng)時間的影響污泥熱解反應(yīng)時間隨熱解終溫的變化如圖2所示。由圖2可知,在終溫為450℃時,熱解時間最長。終溫小于400℃時主要反應(yīng)是脫水和小部分脫350400450氣,在沒有催化劑、沒有流動的情況下熱解反應(yīng)所熱解終溫/℃需的時間很長,并且受升溫速率影響較大。當(dāng)溫度圖3焦炭、油、氣的質(zhì)量分?jǐn)〉駸峤夥錅氐淖兓_到400450℃之間時,越來越多的物質(zhì)參與到熱Fg3 Mass fraction of coke、 and gas at various ultimate tamperatures高現(xiàn)文等:溫度對污泥熱解產(chǎn)物及特性的影響15℃mn國定礦擇發(fā)份熱解溫度圖4集炭的工業(yè)分析圖槧電量隨熱解峰溫的變化為此后焦炭中的揮發(fā)分減少,固定碳和灰分增加,Fig 6 Power consumption aM various ultimate temperatures焦炭的工業(yè)分析各值變化如圖4所示。大。 Puchong Thipkhunthod等對不同的污泥樣品23熱解終溫對產(chǎn)物熱值的影響進行了熱解和熱重實驗,結(jié)果表明污泥開始熱解的焦炭和焦油的熱值在1043M且隨熱解終溫度為250-300℃,在更高的溫度存在二次分解。溫的變化如圖5示,從圖5可看出焦炭的熱值隨熱通過對唐山西郊污水處理廠污泥的熱解研究表明:解終溫升高而降低;焦油的熱值有一個峰值,這是(1)當(dāng)熱解終溫小于450℃時,污泥的熱解時由于前面提到的二次分解造成的。焦油的二次分間隨熱解終溫的升高而增加;大于450℃時污泥的熱解時間隨熱解終溫的升高而減少。45000(2)熱解氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨熱解終溫升高而增10Cmin大;500℃前焦油的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨溫度升高而增大35000500℃后隨溫度升高而減小;焦炭的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨溫B3000度升高而減小。溫度對熱解的影響要大于加熱速率的影響1250003)焦油的熱值在500600℃的情況下達到最瓢炭熱大,500℃左右焦油質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大,從能耗方面看15000500℃也是一個最佳的產(chǎn)油熱解溫度。10000(4)從焦炭的工業(yè)分析看,隨熱解終溫升高焦熱解終溫/℃炭中揮發(fā)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)減小,灰分和固定碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)圖5焦炭和油熱值隨熱解編溫的變化增大。Fig 3 Heat value of coke, tar at various ultimate temperatur參考文獻:解原理詳見文獻[3[]張統(tǒng)SBR及其變法污水處理與回用技術(shù)M北京:化學(xué)工業(yè)出版24熱解終溫對耗電量的影響社2003:302-303圖6示出了耗電量隨熱解終溫的變化。耗電量ZHANG Tong Sewage treatment and reclaim technique for的影響因素包括物料濕度、升溫速率、熱解終溫等its deformation ) Beijing: Chemical Industry Press, 2003: 32從圖6可以看出,在450℃處有峰值,到500℃后[2] LUTZ H, ROMEIRO G A, DAMASCENO RN, e al Low temperture conversion of some Brazilian municipal and industrial sludges]又隨溫度升高而增大。在450℃到500℃之間有一Bioresource Technology, 20007, 4: 103-107個降低的過程,主要是因為在450℃之前的二次分凹趙慶禪.污泥資源化技術(shù)隊M,北京:化學(xué)工業(yè)出版社,202:解還不強烈3結(jié)論ZHAO Qingxiang. Reource utilization technique of shudge [ M]. Be-M Inguan2利等在升溫速率為5℃min1和60 jing: Chemical Industry202612℃minl,終溫為450850℃條件下得出城市污泥的{朱開金馬忠亮污混處理技術(shù)及資額化利用時北京化學(xué)I業(yè)熱解在低溫段受升溫速率影響較大,隨著熱解終溫出版社2007:20.HU Kijin, MA Zhongliang Disposal technique and resource utiliz的升高焦炭的質(zhì)量分?jǐn)?shù)減小,熱解氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增on of shudge[M]. Bejing: Chemical Industry Prea, 2007: 20.生態(tài)環(huán)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[】尹軍譚學(xué)軍污水污泥處理處置與資源化利用M北京:化學(xué)工welk-swept fixed-bed reactor UJ]. Fuel Processing Technology, 2007,業(yè)出版社,20051:153YIN Jun, TAN Xuejun. Tisposal and resource utilization of sewage6]李海英張書廷,趙新華城市污水污泥熱解溫度對產(chǎn)物分布的影dgc[M]. Beijing: Chemical Industry Press, 2005: 153響[太陽能學(xué)報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李海英張書廷城市污水污泥熱解實驗及產(chǎn)物特性門天津大學(xué)門王艷,張書廷,張于峰,等城市生活垃圾低溫?zé)峤猱a(chǎn)氣特性的實報2006,39(5):739744驗研究叮然料化學(xué)學(xué)報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