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      污泥燃燒特性及動力學(xué)分析

      2015-02-19 07:30:22盧洪波蘇桂秋
      東北電力大學(xué)學(xué)報 2015年3期
      關(guān)鍵詞:罐底油泥污泥

      盧洪波,楊 健,蘇桂秋

      (東北電力大學(xué)能源與動力工程學(xué)院,吉林吉林132012)

      隨著經(jīng)濟的迅猛發(fā)展以及人口數(shù)量的快速增加,我國污水的處理量也在日益增加,污水同時污泥的產(chǎn)量也就越來越大。隨著人們環(huán)保意識的日益增強,污泥處理的要求也越來越嚴格。污泥除了含有有機營養(yǎng)元素以外,還含有大量的細菌、寄生蟲和病毒,處理過程中還會有鋁、鋅、銅、汞、砷等重金屬沉淀到污泥中,并且二噁英、各種鹽類、放射性核素、多氯聯(lián)苯等難以降解的有毒物質(zhì)都會對人類的生存環(huán)境造成嚴重污染。污泥的焚燒技術(shù)可以使污泥達到減量化,無害化,資源化。并且可以回收污泥中的能量用于發(fā)電和供熱等,因此污泥焚燒被認為是處理污泥的最有效的途徑之一[1-3]。

      目前,國內(nèi)外普遍采用熱重分析法對污泥與煤混燃和燃燒機理及動力學(xué)特性進行研究[4-8]。Puchong Thipkhunthod等人[9]對污泥的熱解特性進行了研究,發(fā)現(xiàn)熱解的實驗溫度達到800℃,研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)污泥的主要分解階段溫度在250℃-550℃之間,熱解氣體含有輕質(zhì)烴、乙醇、甲基氯、CO2。李春雨等人[10]對不同種類的污泥進行了熱重實驗研究,結(jié)果表明污泥的揮發(fā)分析出比較復(fù)雜,污泥燃燒分為兩個階段:揮發(fā)分析出燃燒和固定炭燃燒,并且通過動力學(xué)分析得到污泥燃燒的活化能值比較低。本文研究了污水污泥、罐底油泥燃燒的燃燒失重過程,分析了在不同升溫速率下污泥燃燒特性,采用C-R方法求解了污泥動力學(xué)參數(shù)及其燃燒機理,從而為污泥燃燒工程應(yīng)用提供依據(jù)及評價方法。

      1 實驗部分

      1.1 樣品制備

      實驗污水污泥選取吉林市某化工廠的污水污泥和罐底油泥,污水污泥和罐底油泥的的工業(yè)分析見表1(分析數(shù)據(jù)為空氣干燥基)。將污水污泥和罐底油泥放入干燥箱干燥24 h,干燥溫度設(shè)置為50℃,然后將干燥后的污水污泥和罐底油泥進行研磨并用100目的篩子進行篩分,最后將樣品進行保存。

      表1 污水污泥和罐底油泥的工業(yè)分析

      1.2 實驗設(shè)備及其方法

      實驗采用美國珀金愛爾默(Perkin Elmer)公司生產(chǎn)的Pyris-1型熱分析儀。測量溫度范圍為室溫-900℃或燃料質(zhì)量恒定,升溫速率分別為20℃/min、40℃/min、60℃/min。工作氣氛為模擬空氣(O2∶N2=1∶4),流量為50 mL/min。實驗樣品用量為2 mg。

      2 實驗結(jié)果與分析

      2.1 不同種類污泥的燃燒過程分析

      圖1和圖2為兩種污泥在不同升溫速率下燃燒的TG和DTG曲線??梢园l(fā)現(xiàn):兩種污泥的燃燒曲線都具有各自的特點,反應(yīng)的起始和終止溫度、燃燒峰值、燃燒反應(yīng)速率和剩余殘留物比例各不相同。

      圖1 不同升溫速率下污水污泥的燃燒熱重曲線

      圖2 不同升溫速率下罐底油泥的燃燒熱重曲線

      由圖1污水污泥燃燒的TG和DTG曲線可以發(fā)現(xiàn):污水污泥在燃燒過程中分為三個失重階段,即水分蒸發(fā)階段、揮發(fā)分的析出燃燒階段和固定碳的燃燒階段。以40℃/min升溫速率為例,水分析出階段在初始溫度到200℃,此時污泥并未著火;200℃-470℃左右是揮發(fā)分析出燃燒階段,是污泥燃燒過程中的最大失重階段,在306℃左右達到最大失重速率10.91%/min;470℃-730℃是固定碳的燃燒階段,主要是污泥中像難降解的纖維素的一類有機物的燃燒反應(yīng),該階段的失重率為23.14%。罐底油泥的燃燒過程有兩個明顯的失重峰,從室溫加熱開始至134℃出現(xiàn)水分蒸發(fā),135℃-443℃為罐底油泥中揮發(fā)分的析出和燃燒,且罐底油泥的失重率為31.98%,最大失重速率為8.38%/min。在443℃-820℃為罐底油泥中固定碳的燃燒和礦物質(zhì)的分解,在此階段罐底油泥的失重率為19.21%,最大失重速率為3.47%/min,與污水污泥的燃燒曲線相比,罐底油泥的失重率要小于污水污泥的失重率,這正好印證了工業(yè)分析中罐底油泥所含灰分大于污水污泥的灰分含量。罐底油泥在第二、三階段的失重溫度都要比污水污泥略微提前,失重率小于污水污泥,且兩個階段的最大失重速率要比污水污泥小很多,這主要是由于兩種污泥的組成成分有較大差異。

      2.2 不同升溫速率下污泥的燃燒特性分析

      根據(jù)本文的實驗?zāi)康?,選取了以下主要的燃燒熱性參數(shù):

      (1)著火溫度Ti,著火溫度是實驗樣品開始燃燒反應(yīng)時的溫度,著火溫度的高低可以反映出實驗樣品燃燒開始時的難易程度[11]。

      (2)實驗樣品最大燃燒速率(dw/dt)max及其對應(yīng)的峰值溫度Tmax。最大燃燒速率是指試驗樣品燃燒的DTG曲線上易燃峰所對應(yīng)的峰值,最大燃燒速率反映了實驗樣品的燃燒性能,最大燃燒速率越大,且對應(yīng)的溫度越低,則實驗樣品的燃燒穩(wěn)定性也越好。

      (3)實驗樣品的平均燃燒速率(dw/dt)mean,指實驗樣品中的可燃成分與其燃燒所經(jīng)歷的時間之比。

      (4)實驗樣品燃盡溫度Th,指實驗樣品燃燒掉其可燃部分的98% 時所對應(yīng)的溫度為實驗樣品,在此溫度所對應(yīng)的時間就是燃盡時間Th[12]。

      由表2可知,隨著升溫速率的增加,污水污泥、罐底油泥的著火溫度Ti和燃盡溫度Te都有所提高。這是由升溫速率越大,試樣燃燒時達到相同溫度所經(jīng)歷的時間就越短,反應(yīng)程度也越低,同時樣品的內(nèi)外溫度梯度也越大,使得熱滯后現(xiàn)象加重導(dǎo)致的。隨著升溫速率的增大,兩種污泥的最大失重速率和平均失重速率越大。升溫速率增大,使得試樣單位時間內(nèi)受到的熱沖擊增大,加速了試樣與氧氣的反應(yīng)速率,導(dǎo)致燃燒速率加快。隨著升溫速率的增加,污水污泥和罐底油泥的各項燃燒特性指數(shù)都呈現(xiàn)升高趨勢。在相同升溫速率下比較各燃燒特性指數(shù)Kr,Gb和S可知,污水污泥的燃燒特性指數(shù)高于罐底油泥。

      表2 不同升溫速率下污水污泥的燃燒燃燒特性參數(shù)

      表3 不同升溫速率下污水污泥的燃燒燃燒特性參數(shù)

      3 污泥燃燒動力學(xué)分析

      本文采用C-R積分法求對式(1)求導(dǎo)并整理得到C-R法的積分形式如下:

      式中:G(α)為反應(yīng)機制函數(shù)f(α)的積分形式;由于就試驗熱反應(yīng)測溫范圍以及絕大部分E值而言近似為常數(shù),令對于恰當(dāng)?shù)臒岱磻?yīng)機制函數(shù)G(α)而言與成線性關(guān)系,依據(jù)線性擬合相關(guān)系數(shù)最高的擬合方程Y=a+bX的斜率和截距即可以求解E和A。本計算選取常用的機理函數(shù)是求解E和A[15],常見的機理函數(shù)見參考文獻[15]。

      表4和表5是計算得到的兩種污泥的燃燒動力學(xué)參數(shù),可以看到:污水污泥在揮發(fā)分析出燃燒階段的燃燒反應(yīng)機理為隨機成核和隨后生長,在固定碳燃燒階段的燃燒反應(yīng)機理為三維擴散。罐底油泥在在揮發(fā)分析出燃燒階段的燃燒反應(yīng)機理為隨機成核和隨后生長,在固定碳燃燒階段的燃燒反應(yīng)機理為二維擴散。兩種污泥在揮發(fā)分析出燃燒階段的活化能均高于固定碳燃燒階段,說明兩種污泥的揮發(fā)分析出燃燒比固定碳的燃燒要困難,同時揮發(fā)分的燃燒也為后階段固定碳的燃燒提供了一定的熱量。兩種污泥的頻率因子在揮發(fā)分燃燒階段均大于固定碳燃燒階段,說明兩種污泥在揮發(fā)分析出燃燒階段的活化分子高于固定碳燃燒階段,且燃燒激烈程度也高于固定碳燃燒階段。隨著升溫速率的增大,污水污泥在兩個階段燃燒的活化能先降低后升高,說明污水污泥在40℃/min升溫速率下更有利于污水污泥的燃燒。在升溫速率增大時,罐底油泥揮發(fā)分析出燃燒階段的活化能先減小后增大,在固定碳燃燒階段活化能逐漸減小,在60℃/min升溫速率下,罐底油泥兩個階段的活化能很接近,但在升溫速率為60℃/min時的頻率因子均高于升溫速率為40℃/min時,說明升溫速率為60℃/min時對罐底油泥的燃燒更有利。

      表4 不同升溫速率下污水污泥燃燒的動力學(xué)參數(shù)

      表5 不同升溫速率下罐底油泥燃燒的動力學(xué)參數(shù)

      4 結(jié) 論

      (1)污水污泥有明顯的水分失重峰,而罐底油泥則沒有。污泥燃燒可以分為三個階段:水分的蒸發(fā)階段、揮發(fā)分的析出和燃燒階段和固定碳的燃燒階段。污泥的燃燒呈雙峰特點,污泥的燃燒主要發(fā)生在揮發(fā)分析出燃燒階段。

      (2)隨著升溫速率的增加,污泥的著火溫度、燃盡溫度和峰值溫度逐漸增大,最大失重速率、平均燃燒速率、可燃性指數(shù)、穩(wěn)燃性指數(shù)和綜合燃燒性指數(shù)均呈現(xiàn)升高趨勢。

      (3)污水污泥和罐底油泥的燃燒分為兩個溫度區(qū)間來求活化能,兩種污泥在揮發(fā)分析出燃燒階段的活化能均高于固定碳燃燒階段,兩種污泥的揮發(fā)分析出燃燒比固定碳的燃燒要困難。兩種污泥的頻率因子在揮發(fā)分燃燒階段均大于固定碳燃燒階段。

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