第44卷第6期鍋爐技術Vol. 44, No 62013年11月BOILER TECHNOLOGYNov.,2013城市污泥燃燒特性與動力學研究趙改菊1,尹鳳交1,張宗宇1,盛成2,王成運1,李選友1(1.山東省科學院工業(yè)節(jié)能研究中心,山東濟南250103;2.深圳中廣核工程設計有限公司,廣東深圳518129)摘要:利用熱分析儀研究了升溫速率等試驗參數(shù)對城市污泥燃燒特性的影響,并通過改進的 Coats-Redfern方法得出污泥燃燒過程中揮發(fā)分第一階段、第二階段以及焦炭段的最佳機理函數(shù)。結果表明:升溫速率對污泥燃燒特性影響較大,但水分和粒徑整體上對污泥燃燒特性影響不大;數(shù)值模擬結果與試驗結果具有良好的一致性關鍵詞:污泥;燃燒特性;動力學中圖分類號:X705文獻標識碼:B文章編號:1672-4763(2013)06007504實驗樣品取自光大水務(濟南)有限公司二0前言廠,恒溫(105℃)干燥2h后,研磨、篩分得到不同城市污泥含有有毒有機物、病原微生物及重粒徑(80目、70目、40目和10目)的污泥樣品(除金屬,對生態(tài)環(huán)境和人類活動構成了嚴重的威實驗2.3外,均采用<80目的粒徑)。其工業(yè)分脅目前,污泥處理的方法主要有衛(wèi)生填埋、析和元素分析見下表1。通過計算,用蒸餾水配焚燒、干化和熱處理、堆肥以及海洋傾倒等,其中比不同含水量的污泥樣品。采用北京恒久科學焚燒法具有穩(wěn)定化、無害化、減量化和資源化的儀器廠JCR-2型差熱天平來分析試樣的燃燒優(yōu)點,是一種發(fā)展前景廣闊的處置方法。與國外特性。相比,我國污泥焚燒所占比例份額明顯偏低,因此結合我國國情,為在環(huán)境、能源和經(jīng)濟問題中表1污泥工業(yè)分析和元素分析表%項目數(shù)值尋找一個處置污泥最佳的平衡點,污泥焚燒技術的研究十分必要污泥燃燒過程是伴隨溫度變化的一種失工業(yè)分析重過程,因此可以采用熱重法研究污泥宏觀燃燒特性以及反應速率3-4。目前國內(nèi)外采用熱重法對污泥的熱解和燃燒機理及動力學特4.67元素分析性進行了一定研究5-9,但均在恒定升溫速率5.64和特定污泥直徑條件下進行的研究。本文利0.44用熱分析儀研究了升溫速率、粒徑、水分等參數(shù)對城市污泥進行了燃燒特性研究,并通過改2結果與分析進的 Coats-Redfern方法對污泥燃燒揮發(fā)分析2.1污泥燃燒特性試驗出過程進行細致分析,為更深入認識污泥的燃燒過程,進而為污泥焚燒技術的發(fā)展提供理論在升溫速率為17.97K/min,終溫為850℃,依據(jù)?？諝鈿夥盏膶嶒灄l件下,污泥的燃燒特性曲線如圖1所示。1實驗物料與方法中國煤化工CNMHG收稿日期:2013-02-01;修回日期:2013-06-22作者簡介:趙改菊(1976-),女,博士,主要從事燃燒與污染物控制研究。鍋爐技術第44卷11.65K/min-v- DTA42024, 41 K/min30000001503004506007509002圖1污泥燃燒熱重曲線0150300450600750900從圖1可以看出,污泥燃燒可以分為4個階圖3升溫速率對單位時間失重率的影響規(guī)律段:(1)第一階段(室溫~150℃):自由水和部分結合水的蒸發(fā)階段。(2)第二階段(192℃~384還可以得出:隨著升溫速率越高,污泥的著℃)即第一個揮發(fā)分燃燒階段:揮發(fā)分析出的主火溫度越高;各階段的單位時間最大燃燒速率是要階段,DTA曲線為一個放熱峰該階段揮發(fā)分逐漸增大的;污泥第二個揮發(fā)分燃燒階段和焦炭燃燒十分劇烈。(3)第三階段(34℃~516℃)燃燒段的最大燃燒速率所對應的溫度是逐漸升即第二個揮發(fā)分燃燒階段:剩余的揮發(fā)分的釋高的;污泥的燃盡溫度也逐漸升高。放,該階段的最大失重率有所下降,對應的DTA隨著升溫速率的增大,各個階段的燃燒特性放熱峰的面積也有所下降。(4)第四階段(680℃指數(shù)逐漸增大。左右):污泥中固定碳的燃燒階段,失重并不明2.3粒徑對污泥燃燒特性的影響規(guī)律顯,對應的DTA放熱峰的面積也相對較小圖4所示為不同粒徑的污泥燃燒單位溫度2.2升溫速率對污泥燃燒特性的影響規(guī)律失重率曲線,可以得出,在第一個揮發(fā)分燃燒階污泥不同升溫速率下燃燒的單位溫度失重段,隨著粒徑的增大,最大燃燒速率有所下降,這率和單位時間失重率變化曲線如圖2和圖3所是因為,在燃燒初始階段,隨著污泥粒徑的減小,示,可以看出:隨著升溫速率的升高DTG曲線向污泥的比表面積增大,能夠和氧氣更為充分的接右平移,產(chǎn)生熱滯后現(xiàn)象,且第3、4階段的熱滯階段的熱滯觸,從而燃燒更迅速。在第二個揮發(fā)分燃燒階后現(xiàn)象相比第2階段稍微明顯一些,在第一個揮段,隨著粒徑的增大,最大燃燒速率有所增大。發(fā)分燃燒階段,最大單位溫度失重率逐漸減小,最大單位時間失重率有所增加,而在第二個揮發(fā)0.00440目分燃燒階段以及焦炭燃燒階段,最大單位溫度失10目重率基本不變,而最大單位時間失重率明顯0003增加。0.00211.65 K/min17.97 K/min0.0000.004-24.41 K/min5169 K/min0150300450600750900溫度FC000圖4粒徑對單位溫度失重率的影響規(guī)律0.000原因可能是污泥的揮發(fā)分的總量是一定的,第一個揮0.001中國煤化工率的增大燒0150300450600750900掉了較多CNMHG大燃燒速率的減小。在焦炭燃燒階段,粒徑大小對燃燒速率圖2升溫速率對單位溫度失重率的影響規(guī)律基本沒有影響第6期趙改菊,等:城市污泥燃燒特性與動力學研究還可以得出,隨著粒徑的增大,污泥著火溫度泥的著火溫度基本沒有變化,第二個揮發(fā)分燃燒逐漸升高,依次為234℃、249℃、285.7℃。這是階段最大燃燒速率對應的溫度基本不受水分的因為,隨著粒徑的增大,污泥比表面積會相應的減影響。小,從而減小了污泥和空氣中氧氣接觸的機會,使燃燒變得困難,從而著火溫度升高。隨著粒徑的增大,燃盡溫度基本不變。污泥燃燒的燃燒特性0.005指數(shù)隨著粒徑的增大,第一階段分別為2.382.16、1.84,第二階段分別為0.52、0.51、0.60。這個變化規(guī)律和污泥最大燃燒速率是一致的。24水分對污泥燃燒特性的影響規(guī)律圖5所示為含水率為78%的污泥和干污泥100200300400500600700的燃燒單位溫度失重率曲線?？梢缘贸?對于第個揮發(fā)分燃燒階段來說,濕污泥的最大燃燒速圖5水分對單位溫度失重率的影響規(guī)律率大于干污泥,這是因為隨著污泥中的水分的蒸發(fā),導致污泥有著更好的空隙結構,隨著比表面3動力學研究積的增加,揮發(fā)分向外擴散所受的阻力減小,從而使第一個揮發(fā)分燃燒階段的最大燃燒速率變采用 Coats- Redfern方法,擬合得出污泥燃大;第二個揮發(fā)分燃燒階段的最大燃燒速率沒有燒過程各個階段的機理函數(shù)及化學動力學參數(shù)什么變化。由數(shù)據(jù)我們可以看出,濕污泥和干污如表2所示。表2污泥燃燒3階段化學動力學參數(shù)階段溫度/℃機理函數(shù)活化能/(kJ·mol-)指前因子/(℃3·min2)-1揮發(fā)分11392-3842(1-0)+r(1-a)-+-1]1176.16.9×10揮發(fā)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為失重率一任一時刻污泥己失質量與污泥初始時刻質量的百分比。圖1所示,污泥燃燒揮發(fā)分第一階段與第二據(jù)處理后可以更加準確的預測污泥燃燒的宏觀階段DTG曲線有著重疊的部分,這說明實際上反應動力學機理。按照上面改進的方法,得到污上述方法分析的污泥第一階段的動力學參數(shù)有泥揮發(fā)分2個階段的動力學參數(shù)見表3。按照同失準確性,根據(jù)DTG曲線可以得到,污泥燃燒過樣的方法對試驗中的數(shù)據(jù)進行線性最佳化擬合,程中揮發(fā)分2個階段的DTG應該接近對稱的。結果發(fā)現(xiàn)對于揮發(fā)分第一階段,相關性最好的假設燃燒過程中揮發(fā)分的兩個階段失重對稱,對模型由Z一L一T擴散模型變成為二級簡單反應,于揮發(fā)分第一階段的燃燒,研究燃燒峰的上升而揮發(fā)分第二階段,則由1.5級簡單反應變成了沿,對于第二階段,研究燃燒峰的下降沿,這樣數(shù)三維擴散模型。表3污泥燃燒揮發(fā)分階段化學動力學參數(shù)(改進方法)直線方程機理函數(shù)活化能/(kJ·mol-1)指前因子/(℃3min2)-1揮發(fā)分-1(192~384)y=11322.0x+6.9715(1-a)94.11.2×107揮發(fā)分2384-516)y=16147.2x+6.73903(1-a)20/2[1-(1-a)/2]1.36×10中國煤化工根據(jù)式(1)和式(2)對應的化學動力學參數(shù)下列兩式的數(shù)CNMHG↓雙比校,如圖6見表3),利用 MATLAB,用龍格一庫塔法求解所示鍋爐技術第44卷段略有不同,在第一個揮發(fā)分燃燒階段,濕污泥m:0-m;∞的最大燃燒速率大于干污泥,在第二個揮發(fā)分燃dg=∑a=∑ r: A, exp(-R7)f(a)(2燒階段,著火溫度、最大燃燒速率及其對應溫度基本沒有變化;(4)通過 Coats- Redfern方法,得出污泥燃試驗值模擬值燒過程中揮發(fā)分第一階段、第二階段以及焦炭段的最佳機理函數(shù),且經(jīng)過數(shù)值模擬,模型與試驗結果具有良好的一致性。參考文獻[1]周旭紅,鄭衛(wèi)星,祝堅,張云飛.污泥焚燒技術的研究進展].能源環(huán)境保護.2008,2(4):5-8150200250300350400450500550[2]喬顯亮污泥的化學組成、土壤利用風險和復合污染土壤修溫度AC復研究[D].南京:中國科學院南京土壤研究所,20033]劉淑靜.污泥燃燒與污染排放特性研究[D].大連:大連理工圖6污泥燃燒過程揮發(fā)分數(shù)值模擬大學,2007由圖6可以看出,采用試驗數(shù)據(jù)分析得到的41胡榮祖,史啟熱分析動力學[M]北京:科學出版最佳反應動力學模型對污泥燃燒過程模擬效果[5]溫俊明,池涌,劉淵源,等,城市污水污泥的燃燒動力學研究比較理想,污泥揮發(fā)分的2個階段都得到了良好.電站系統(tǒng)工程,2004,20(5):5-7.的重現(xiàn)。因此可以說,2組分平行反應模型對污[6]王裕明,胡建紅冉景煜等混合工業(yè)污泥燃燒及動力學特泥的燃燒機理具有較好的適應性性實驗研究[].中國電機工程學報,2007,27(17):44-50[7]李培生,李潔,胡益,等.基于DTA方法的污泥與煤混合物燃4結語燒反應動力學[].華中科技大學學報(自然科學版),2008(1)升溫速率對污泥燃燒特性影響較大:當(8] Liao Yanfer, MaXiaogian. Thermogravimetric analysis of the升溫速率增加時,污泥的著火溫度、各階段的最co-combustion of coal and paper mill sludge [JJ. Applied大燃燒速率、燃盡溫度和燃燒特性指數(shù)均增加Energy,2010,87(11):3526-3532(2)粒徑的變化對污泥燃燒特性并沒有很大91 XiaoHanmin, Ma xiaoqian, Liu Kai Co-combustion kinetics的影響;of sewage sludge with coal and coal gangue under differentatmospheres[J]. Energy Conversion and Management, 2010(3)水分對污泥燃燒特性的影響在不同的階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中國煤化工s, but thecontent of water and the size of particle has little influenceCN MH Gwas fairlyagreed with experimental resultsKey words sludge; combustion; Kinetics