廣州城市污泥燃燒性能綜合評價及其燃燒動力學模型
摘要：采集了廣州5種不同來源城市污泥(分別為KFQ、DTS、LJ、LD和ZZ)及肇慶市1種污水污泥(ZQ),利用熱重法對6種干污泥的單一樣及兩種干污泥的混合樣在不同條件下進行了熱重實驗研究,并通過TG-DTG曲線計算了污泥燃燒的4個綜合燃燒指數. 研究發現,廣州當前城市污泥具有高揮發分、低固定碳和低熱值的特點.整個污泥燃燒可以分為水分析出、揮發分析出、揮發分燃燒和焦炭燃燒4個階段,并且不同來源污泥這4個燃燒階段差別較大,其中,揮發分的析出和燃燒制約著污泥的整個燃燒過程. 不同來源污泥的燃燒性能與污水處理廠水處理工藝、污泥種類及其理化性質有關.從揮發分釋放特性指數D、可燃性指數C、綜合燃燒特性指數S來看,6種污泥中,LJ污泥燃燒性能最好,而LD污泥的燃燒性能最差. KFQ與ZZ污泥混合后,除D指數外,其他指數都變小,而升溫速率過快,并不能顯著提高污泥的綜合燃燒性能。采用積分法(Coats-Redfern方程)計算得到各燃燒階段的反應的機理方程及相應的活化能參數,發現活化能大小與污泥的燃燒階段是相對應的。
關鍵詞：城市污泥 熱重分析 動力學模型 燃燒特性 綜合評價
1 引言(Introduction)
城市污水污泥是指城市污水處理廠在處理污水后殘留的污泥,據統計,中國每年產生污泥量約為420 萬t,折合含水80%的脫水污泥約為2100 萬t(趙慶祥, 2002). 污水污泥中一般都含有大量的病原菌、寄生蟲、致病微生物及難分解的有機毒物,這些污泥如不經過處理,任意堆放或排除,將會污染水體、土壤和大氣,造成生態破壞. 污泥處理措施一般分為用作農肥、填埋、焚燒和熱解等方法(郭瑞等,2011),其中,焚燒法因具有減容化、無害化、快速化、便利化、能源化、多用性等優點而得到較大程度的應用。
針對污泥焚燒處理,國內外很多學者采用熱重分析法對不同來源、不同混合比污泥及其與生物質混合燃燒行為進行了研究( 劉亮等,2006; Xiaoet al. , 2009; Sang et al. , 2011;李洋洋等,2011),以期了解其燃燒機理和特性,并采用多種評價參數對污泥燃燒特性進行了綜合評價(王裕明等,2007;冉景煜等,2008). Font 等(2001)指出,具有不同理化性質的污泥其燃燒熱重曲線差異較大. 溫俊明等(2004)從污泥的熱重分析曲線出發,得出了由3 個獨立的、連續的平行反應組成的動力學模型. 萬嘉瑜等(2010)通過熱重分析研究了污泥在不同氧體積濃度下的燃燒動力學特性. 沈伯雄等(2005)研究發現,不同金屬催化劑對垃圾燃燒著火及燃盡性能有一定的催化作用. 劉敬勇等(2009a)研究了不同金屬化合物對工業污泥的助燃作用. 目前,研究污泥燃燒機理和特性常用的方法是將污泥熱分解和燃燒直接假定為簡單反應,如一級反應,通過預先設定反應機理模型進行數值擬合,或者對高低溫分別進行擬合。 事實上,污水污泥的熱解、燃燒過程中,灰分、揮發分的成分都比較復雜. 揮發分的析出、氧氣的擴散、化學反應速率隨溫度的變化,在其燃燒過程不斷從動力區向擴散區進行轉換;而且,氧氣向內部擴散與產物氣體向外擴散又相互阻礙,因此,簡單的假設往往掩蓋了反應過程的復雜性和機理. 另外,通過對我國111 個城市共193 個污水處理廠污泥成分的最新統計表明(馬學文等,2011),2003—2008 年5 年間,污泥中含有的重金屬及有機質都發生了變化,呈現南方污泥中的重金屬(Zn、Cu、Cd、Cr、Ni)、N、P 高于北方污泥的特點, 并且預計到2020年,廣州市中心城區污水量將達4. 30 ×106 m·3 d-1(陳貽龍等,2007). 按污泥產生量是污水量的0. 3% ~0. 5%計算,屆時污泥產量將達1. 29 ×104 ~2. 15 ×104 t·d-1 (以含水率98% 計)。因此,迫切需要對廣州當前城市污泥燃燒特性進行全面評價并建立起燃燒模型。
因此,本文對廣州市具有代表性的4 個大型污水處理廠脫水污泥、1 個造紙廠污泥及廣州市周邊經濟欠發達地區肇慶市某污水處理廠脫水污泥進行系統取樣,通過熱重實驗,計算得出污泥4 類燃燒指數,全面評價廣州當前城市污泥的燃燒性能. 同時,借鑒煤燃燒機理,通過假設不同的反應機理,采用Coats-Redfem 積分法進行擬合推斷,識別不同轉化率區間可能存在的反應機理,以期為污泥焚燒設備的優化設計、運行及燃燒工況的組織等提供理論參考。
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