2007年12月南昌航空大學學報(自然科學版)Dee. ,2007第21卷第4期Jourl of Nanchang Hangkong University ( Natural Science}Vol.21 No.城市污水處理廠污泥熱解機理魏立安,涂麗麗,高標(南昌航空大學,江西南昌330063)[關鍵詞]污泥;熱 重分析;熱解;動力學參數(shù)[摘要] 本研究采用熱重 分析儀對南昌市青山湖污水污泥進行熱重分析實驗,分別獲得了20 K/min和40 K/ min加熱速率下污泥的TG - DTC曲線,得出了污水處理廠污泥的熱解特性。根據(jù)實驗結(jié)果對干燥污泥熱解過程進行了分析且利用積分法確定了熱解機理,求出反應動力學參數(shù)-頻率因子A、活化能E。[中圖分類號] X505[文獻標識碼] A[文章編號]1001 -4926(2007 )04 -0066 -04Pyrolysis mechanism of municipal sewage sludgeWEILi-an,TU Li-li , GAO Biao(Nanchang Hangkong University , Nangchang 330069 ,China)Key words :sewage sludge ; thermogravimetric ;pyrolysis ;kinetics parametersAbstract: 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 - DTC 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 cofficient methods were processed to determine the pyrolysis mechanism and the ki-netics parameters of sewage sludge隨著我國城市化進程的加快,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廢物相同,含有大量易揮發(fā)性有機物質(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品的形式釋放出來[2.3]。一般用三種方法來利用其中的能量:直接燃燒、氣化和熱解。其中熱解法在最近幾年受到了越來越多的關注4。本實驗采用熱重分析法對南昌市青山湖污水處理廠污泥的熱解特性進行了研究。1，污泥熱解特性實驗1.1 實驗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103C空氣環(huán)境中烘烤去除水分后粉碎,經(jīng)40目篩分得到干基樣品并放人干燥皿內(nèi)備用。首先對樣品進行理化分析，得到的結(jié)果如表1所見，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。表1污泥樣品的 理化分析數(shù)據(jù)表元素分析(干基,wt% )工業(yè)分析/%碳確氫揮發(fā)分灰分固定碳低位熱值污泥樣品(KJ/Kg)2.430. 895.4731.2663.685.06 .7.107[收稿日期] 2007 -04 -20[基金項目]江西省科技廳 重大科技專項( 20041A0400202)。[作者簡介]魏立安(1963 -),男,江西省定南人,南昌航空大學環(huán)境與化學工程學院教授,碩土生導師,主要從事環(huán)境工程、清潔生產(chǎn)與循環(huán)經(jīng)濟方面的研究。第4期魏立安、涂麗麗高標:城市污 水處理廠污泥熱解機理571.2 熱失重分析本實驗采用日產(chǎn)PyrisDiamond TG/DTA研究污泥的熱解特性,取5.870 mg和3.742 mg干燥污泥樣品,實驗氣氛為氮氣,從室溫開始加熱,程序終止溫度為800C,加熱速率分別為20K/min和40K/min,圖1和圖2為實驗的TC-DTG曲線。TGDTG0一301-2g0100800T/C圖1 南昌青山湖污水處理廠污泥TC - DTCG曲線(20 K/min)100"GFo0+昌0十40060080T/C .困2南昌青 山湖污水處理廠污泥TG - DTG曲線(40 K/min)由TG - DTC曲線可以發(fā)現(xiàn),污泥在不同的加熱速率下的TG - DTC形狀相似,失重規(guī)律也基本相同,主要分為兩個明顯階段:(1)水分析出階段,其中圖1為室溫至172. 589 C ,圖2為室溫至176.370 C,而且都存在兩個失重峰,其中圖1的第二個失重峰不是很明顯。第-一個失重峰溫度分別為72.75149和75.1650C,失重速率分別達到-0.38777%/min和-0.63985%/min,這一階段水析出主要是由于樣品在保存和實驗過程中的表面水分吸收導致的;第二個失重峰溫度分別為128.143C和133.595C,失重速率分別達到一0.36724 %/min和-0.63931 % /min,這-階段水析出主要是由于污泥內(nèi)在結(jié)合水分蒸發(fā)導致的“;(2)揮發(fā)分析出階段,析出溫度范圍分別為172.589C~591.281C和176.370C~597.1549C,這個溫度段為整個熱解過程失重最大的階段,其中最大的失重速率分別出現(xiàn)在339.208C和352.814C,失重速率分別為-2.25282%/min和-3.92748%/min,而且兩者在400C附近都存在一個很小的失重峰,證明了揮發(fā)分中存在兩類化學鍵能比較接近的成分6,這--階段主要是有機物的分解階段,揮發(fā)分主要在這一階段析出;從68南昌航空大學學報(自然科學版)571. 281 C和597.154到加熱終 溫,兩樣 品的失重率幾乎沒有變化,說明熱解過程已經(jīng)結(jié)束。2污泥熱解動力學參數(shù)的求解2.1污 泥熱解動力學參數(shù)的求解原理在進行固體熱解氧化反應研究時,通常采用以下公式來表示:do =kf(a)(1)G,-Cr .其中:a是T溫度時的相對失重百分數(shù)或轉(zhuǎn)化率;a=中n , Gr為未反應的失重率;G,為T時刻的失Gr,max重率;Gr.w為反應截止時刻的失重率。由Anrhenius 方程可以知道k=Ic =Aexp( -)(2)dt~本實驗中采用固定的升溫速率β=C ,結(jié)合式(1)和(2) ,可以得出方程;dda__ Aja)=i.exp( -R)dT(3)采用積分方法來進行動力學分析:由:G(a)= [do-及-da， exp( - DH)dT得到:b f(a)^f(a)RG(a) = A exp( - D)dT(4)β JTo經(jīng)過一-系列的數(shù)學變換可以得到:1-2(R)( a)In[2] =In{1-6(R)-]I-RT(5)由于(<1 ,所以上式右邊第- ~項可近似當作常數(shù)項:EG(a)In[ p2]=In(RT(6)綜合以上數(shù)學推論，我們就可以得到:如果能找到一個正確描述反應或者近似正確描述反應機理函數(shù)表達式f(a) ,則In[ C2]與一對應的圖線應該為一條直線，該直線的斜率為-只截距為ln( R)。2.2機理 函數(shù)的選擇由Coats - Redfern方程得7] :C(a)=[ da = ART2。 exp(-E(7)b f(a) βEβEBE 'dt’'F(a)當a=0.5時:RT 2.sC(0.5)=(8)_ C(a) ro(lC(0.5)~ r2?！盕(a5)'diG(a)f(a)(出)C(0.5)(o.5)=(元( d)as第4期魏立安、涂麗麗、高標: 城市污水處理廠污泥熱解機理59(∞)G(a)f(a)令Q(a)=c(0.S)f(Q=(j)().s-= Y(a)(9)將TG - DTC實驗數(shù)據(jù)a、分別帶人(9)式的右端,然后以a對Y(a)作關系曲線,構(gòu)成a- Y(a)實驗曲線;將數(shù)據(jù)a和20種常用固體反應動力學模型函數(shù)G(a)f(a)帶人式(9)的左邊,作關系曲線,構(gòu)成a-Q(a)標準曲線[8。若實驗曲線與標準曲線重疊,或?qū)嶒炃€與某--條標準曲線最為接近,則判定該標準曲線所對應的動力學模型函數(shù)式f(a)為該反應的動力學模型函數(shù)。判定的方法通常采用圖形目測比較。根據(jù)差熱曲線,利用微分方法可以求解污泥的反應動力學參數(shù),f(a)是與熱解機理相關的函數(shù),它的大小取決于反應機理函數(shù):f(a) =(1 -a)"其中n為反應級數(shù)。求解這個反應的動力學參數(shù)我們采用最常用的微分法。微分法是利用DTG曲線進行計算,通過DTG峰前、峰后不同反應級數(shù)的擬合可以看出,峰后n=2時線性度最好,In[502]與一相關程度最高f(a) =(1 -a)2時最適合描述反應的機理過程,此時的G(a)=(1-a) 1- 1。將兩種加熱速率下的a值和求解得到的動力學機理模型f(a)、G(a)代人式(6) ,得到不同升溫速率下的動力學參數(shù),結(jié)果見表2。表2動力學參數(shù)求解結(jié)果B/K●min回歸方程相關系數(shù)R活化能E/kJ/mol指前因子A/104 min -120Y=3.672X +7. 1360. 994430. 5339. 23340Y =3.147X +8.1820. 990826. 16345. 033結(jié)論1)南昌污水污泥在氮氣氣氛下熱解存在兩個明顯的階段:水分析出階段和揮發(fā)分析出階段，而且每個階段都存在兩個失重峰;加熱速率在20 K/min和40 K/min的情況下,最大失重速率分別出現(xiàn)在339.208 C和352.814 C。2)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,但由于在各個溫度段所保持的時間不同,導致在40K/min時比20K/min時達到各個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力學模型為f{(a) =(1 -a)2 ,并且求解得到不同熱解速率下的污泥的熱解動力學參數(shù),即活化能E和頻率因子A。[參考文獻][1] 宋秀蘭,李亞新.污泥資源化技術(shù)的研究進展[J].化工環(huán)保.2006 ,26(4) :291 -294.[2] 1. 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