采用熱重分析法研究煤摻燒干污泥燃燒特性

李洋洋,金宜英*,李 歡(.清華大學環境科學與工程系,北京 00084；.清華大學深圳研究生院,廣東 深圳58055)

采用熱重分析法研究煤摻燒干污泥燃燒特性

李洋洋1,金宜英1*,李 歡2(1.清華大學環境科學與工程系,北京 100084；2.清華大學深圳研究生院,廣東 深圳518055)

利用熱重分析法對干污泥和煤及二者混合樣的燃燒特性進行了研究.結果表明,在空氣介質、升溫速率25℃/min、溫度范圍20～1000℃的情況下,干污泥分別在280℃、480℃出現2個失重峰,煤在500℃時出現1個失重峰.隨著干污泥摻燒比增加,混合樣失重速率峰值及最大燃燒速率值增大,出現溫度提前.一定比例范圍的干污泥摻燒可以改善煤的著火性能,有利于煤的穩定燃燒,燃料的可燃燒性指數增加,使燃燒特性改善,該指數介于干污泥和煤單一成分燃燒特性指數之間.

熱重分析；污泥；煤；摻燒比；燃燒特性

城市污水處理廠每年產生大量的污泥,其處理成本已經成為制約該行業發展的瓶頸因素.單獨建設污泥處置設施不僅投資成本高,且運行費用昂貴,利用其他工業的余熱資源,干化污泥、燃燒設備焚燒污泥,可以大幅降低污泥的處理費用[1].污泥脫水后含水率一般在 80%左右,處理量大時,一般先經熱干化干燥成干污泥,再與煤混燒.雖然干污泥熱值較高,但灰分含量高、碳轉化率低,因此在污泥的熱轉化過程中控制費用耗費較多[2].李培生等[3]通過差熱分析研究,得到污泥與煤燃燒的反應動力學參數,二者燃燒各自保持獨立性.Liao Yan Feng等[4]采用熱重分析法對煤與造紙污泥熱解及焚燒過程進行了研究,結果發現加熱速率較高時,污泥揮發階段出現較早;污泥與煤混合物的著火及燃燒特性隨著污泥的摻燒比例不同而不同.Xiao HanMin等[5]采用熱重分析方法對燃燒空氣中不同含氧量、不同加熱速度時污泥與煤的混燒特性進行了研究.國外研究者

[6-10]對一些化石燃料、替代燃料及幾種固體廢物在不同控制條件下的升溫速率、空氣流速等混燒特性的模型進行了相關研究.

本試驗采用熱重分析法對不同干污泥及煤摻燒比例時混合燃料的熱失重過程進行分析,獲得不同摻燒比例時干污泥與煤混合燃燒特性,從而為污泥與煤混燒提供初步理論依據.

1 材料與方法

1.1 材料

試驗所用煤來自北京市某鍋爐房,污泥樣品為北京市某污水處理廠的脫水泥餅,pH6.69.將污泥干燥后破碎,試樣粒度過150目篩.

表1 煤與污泥理化特性Table 1 Characteristics of the sludge and coal

1.2 試驗方法

實驗采用熱重分析儀為:STA409 C131F型,技術指標:溫度范圍為室溫～1600.℃樣品重量≤20g 溫升速率為 0.1～99.9℃/min.測試條件:升溫速率 25℃/min,試樣質量為(20±0.1)mg,含水率為8.53%.試驗溫度范圍 20～1000℃,燃燒氣氛為空氣介質.

1.3 分析方法

1.3.1 著火溫度 煤的著火溫度(Ti)是指煤在空氣或氧氣中加熱時達到連續燃燒的最低溫度,著火溫度可以反映燃料點燃的難易程度.著火溫度只能代表煤在燃燒初期的反應能力,不能概括整個燒燃過程.

為將各煤種以燃燒性能的優劣排成序列,采用可燃性指數進行比較.可燃性指數可以反映燃料點燃的難易程度,燃燒的快慢及燃盡的難易程度[11].可燃性指數越大,燃料燃燒著火穩定性越好.

1.3.2 綜合燃燒特性指數 采用綜合燃燒特性指數(S)來表征混合樣品的綜合燃燒性能.S越大,燃料的燃燒特性越好[14].

式中: (dW/dt)max為最大燃燒速率,%/min; (dW/dt)mean為可燃質平均燃燒速率,%/min;Th為燃盡溫度,℃;Ti為著火溫度,℃.

2 結果與討論

2.1 樣品失重特性分析

由圖 1可見,干污泥焚燒過程中的失重主要分為2個階段:第一階段位于200～400℃之間,主要為干污泥中易揮發部分的析出及燃燒過程,占總失重的42.25%;第二階段位于450～550℃之間,主要為干污泥中相對難揮發部分的析出及燃燒過程,占總失重的27.75%.2個失重峰的峰值溫度分別為280,480,℃對應的失重速率峰值為5.524,9.885%/min;煤樣的熱重曲線(TG)只在400～600℃區間內出現了一次明顯的失重過程,占總失重的 76.93%,微分熱重曲線(DTG)上對應一個獨立的失重過程.煤樣失重速率峰值出現在500℃,為 13.92%/min.這與干污泥和煤樣中的揮發分含量有關系.由于煤樣中的揮發分含量低,揮發分析出溫度比干污泥高,因此干污泥中的揮發分析出過程造成了樣品失重率與失重量要比煤樣顯著.而煤樣中揮發分析出與焦炭燃燒階段沒有明顯分開,從而導致揮發分析出階段煤樣的DTG曲線沒有出現明顯的獨立失重速率峰.由此說明,污泥與煤的燃燒過程存在差異.污泥的燃燒過程,揮發分的析出和燃燒占主要作用;煤燃燒時,焦碳燃燒占主要作用.

為了研究干污泥與煤混合時的燃燒特性,將干污泥與煤的摻燒比例分別設為 3%,5%,10%,20%,30%,50%,80%的摻燒比例進行熱重分析實驗.干污泥與煤分別在空氣介質中從 20至1000

℃加熱升溫,升溫速率 25℃/min,兩者的 TG與DTG曲線如圖2所示.

從圖2中可以看出,干污泥與煤摻燒時,混合樣的TG曲線在400～600℃時有1個明顯的失重階段.3種干污泥摻燒比下的DTG曲線的失重速率峰值隨著摻燒比的提高而升高,分別為 8.189,8.266,8.827%/min,對應的溫度分別為 470,450,440.℃

圖1 干污泥與煤在空氣介質中的TG-DTG曲線Fig.1 TG-DTG curves of dried sludge and coal in air medium from 20 to 1000℃ with heating rate of 25/min℃

圖2 不同干污泥摻燒比例時污泥與煤的TG-DTG曲線Fig.2 TG-DTG curves of dried sludge combusted with different ratio of coal in air medium from 20 to 1000℃with heating rate of 25/min℃

當煤中摻燒干污泥時,混合樣品中的揮發分含量比單一煤時高,比單一干污泥時低,所以隨著摻燒干污泥時的最大失重速率均比單一煤樣時低.摻燒比例增大時,混合樣中的揮發分量進一步增加,揮發分的析出階段失重增加,摻燒比10%時的失重速率比 3%和 5%時要高 0.638%、0.561%/min.焦炭燃燒階段的失重速率峰出現的溫度隨著摻燒比增加而降低,以摻燒比為 10%為例,分別比3%、5%時降低了30,10℃,比單一煤樣提前了60℃.

因此,干污泥與煤摻燒時,隨著干污泥摻燒比的增加,樣品的揮發分失重速率峰值增大,失重速率峰出現的時間提前,出現時的溫度降低,樣品揮發出的質量增加.

2.2 燃燒著火特性及燃盡特性分析

表2 干污泥及煤不同摻燒比例時的燃燒特性參數Table 2 Combustion parameters of dried sludge combusted with different ratio of coal

圖3 不同干污泥摻燒比例時混合燃料C與S曲線Fig.3 Curves of C and S of dried sludge combusted with different ratio of coal in air medium from 20 to 1000 ℃with heating rate of 25/min℃

(dW/dt)max越大,著火溫度越低時,燃料越容易燃燒.從表2及圖3中可以看出,干污泥的著火溫度比煤低35,℃隨著干污泥摻燒比例的增大,混合樣的最大燃燒速率值升高,最大燃燒速率出現的溫度提前.同時,污泥與煤混合樣的著火溫度降低,混合樣的可燃性指數C介于污泥和煤樣可燃性指數之間.這說明摻燒污泥后樣品的著火性能得到了改善,摻燒一定量的干污泥可以改善煤的著火性能,有利于煤的穩定燃燒.這是因為污泥中揮發分含量較高,摻燒干污泥后,混合樣中的揮發分可以在溫度較低時析出.

2.3 混合燃燒特性指數分析

從圖 3中可以看出,干污泥的摻燒比例較大時,燃料的可燃燒性指數增加,混合燃料的燃燒特性變好,但是比污泥和煤單一成分的燃燒特性指數小.結合著火溫度及燃盡溫度,干污泥的摻燒比例增加時有利于混合燃料的燃燒.但摻燒比例過大時,不利于改善燃料的燃燒性能.

3 結論

3.1 污泥燃燒過程揮發分占主要作用,單一干污泥樣的TG曲線主要有2次失重階段,分別為易揮發分及難揮發分的析出及燃燒段,分別占總失重的42.25%,27.75%.DTG曲線上對應2個獨立失重速率峰,對應溫度分別為280、480℃.煤樣燃燒過程中焦炭起主要作用,只表現一次明顯失重過程,占總失重的76.93%,對應溫度為500℃.

3.2 混合燃燒時,隨著干污泥摻燒比例的增加,混合樣的揮發分失重速率峰值增大,失重速率峰出現的時間提前,出現時的溫度降低.

3.3 煤樣中摻燒污泥后,與單一煤樣相比,污泥與煤混合樣的著火溫度降低,可燃性指數減少,綜合燃燒性能下降.

3.4 工業企業摻燒污泥技術上是可行的,合理的污泥摻燒比例通過綜合考慮著火溫度、最大燃燒速率燃燒特性指數等來確定.

[1] Calvo L F, Otero M. Heating process characteristics and kinetics of sewage sludge in different atmospheres [J]. Thermochimica Acta, 2004,409(2):127-135.

[2] Bowman C T. Kinetics of pollutant formation and destrucción in combustion [J]. Prog. Energy Combust. Sci., 1975,1:33-45.

[3] 李培生,李 潔,胡 益,等.基于DTA方法的污泥與煤混合物燃燒反應動力學 [J]. 華中科技大學學報(自然科學版),2008,36(6): 119-121.

[4] Liao Yanfen, Ma Xiaoqian. Thermogravimetric analysis of the co-combustion of coal and paper mill sludge [J]. Applied Energy,2010,87(11):3526-3532.

[5] Xiao Hanmin, Ma Xiaoqian, Liu Kai. Co-combustion kinetics of sewage sludge with coal and coal gangue under different atmospheres [J]. Energy Conversion and Management, 2010,51(10):1976-1980.

[6] Campanella L, Tomassetti M, Tomellini R. Thermoanalysis of ancient, fresh water logged woods [J]. J. Therm. Anal., 1991,37(8):1923-1932.

[7] Jaber J O, Probert S D. Pyrolysis and gasification kinetics of Jordanian oil-shales [J]. Appl. Energy, 1999,63:269-286.

[8] Ebeling J M, Jenkins B M. Physical and chemical properties of biomass fuels [J]. Trans. ASAE, 1985,28(3):898-902.

[9] S?rum L, Gr?nli M G, Hustad J E. Pyrolysis characteristics and kinetics of municipal solid wastes [J]. Fuel, 2001,80:1217-1227.

[10] Conesa J A, Font R, Fullana A, et al. Kinetic model for the combustion of tyre wastes [J]. Fuel, 1998,77(13):1469-1475.

[11] 路春美,王立真,邵延玲,等.用熱重法確定煤的著火溫度與可燃性指數 [J]. 山東電力技術, 1994,2:68-71.

[12] 劉 亮,李錄平,周孑民,等.污泥和煤混燒特性的熱重試驗研究[J]. 華北電力大學學報, 2006,33(6):76-79.

[13] 孫學信.燃煤鍋爐燃燒實驗技術與方法 [M]. 北京:中國電力出版社, 2002.

[14] 聶其紅,孫紹增,李爭起,等.褐煤混煤燃燒特性的熱重分析法研究 [J]. 燃燒科學與技術, 2001,7(1):72-76.

Thermo-gravimetric analysis and co-combustion characteristics of dried sludge and coal.

LI Yang-yang1, JIN Yi-ying1*, LI Huan2(1.Department of Environmental Science and Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084,China; 2. Graduate School at Shenzhen, Tsinghua University, Shenzhen 518055, China). China Environmental Science,2011,31(3)：408～411

The combustion behaviors of dried sludge, coal and their mixtures were investigated by a thermo-gravimetric analysis (TGA) in the temperature range from 20 to 1000℃ with the heating rate of 25℃/min. The coal sample had one weight loss peak at the temperature of 500℃ while dried sludge had two at the temperature of 280 and 480℃. When the ratio of dried sludge in the blend was appropriate, the values of both weight loss rate peak and maximum combustion rate increased while the appearance temperature decreased. At the same time, the ignition performance of coal could be improved by co-combustion with dried sludge, which also was conductive to the stability of coal combustion. Combustion characteristics of the blends were improved and the flammability index was between the two values of coal and dried sludge.Key words：thermal gravimetric analysis；sludge；coal；mixing ratio；co-combustion characteristics

X 705

A

1000-6923(2011)03-0408-04

2010-08-05

“十二五”國家科技支撐計劃項目(2009BAC64B06)

* 責任作者, 副教授, jinyy@tsinghua.edu.cn

李洋洋(1984-),男,河南確山人,碩士研究生,主要從事固體廢物控制及資源化研究.發表論文3篇.