污泥-煤復(fù)合燃料的成型干化工藝研究

張 輝,胡勤海*,滕 瑋,劉 苗,李 霞 (.浙江大學(xué)環(huán)境生態(tài)工程研究所, 浙江 杭州 30058；.復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系,上海 00438)

污泥-煤復(fù)合燃料的成型干化工藝研究

張 輝1,胡勤海1*,滕 瑋2,劉 苗1,李 霞1(1.浙江大學(xué)環(huán)境生態(tài)工程研究所, 浙江 杭州 310058；2.復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系,上海 200438)

為實現(xiàn)污泥的能源化利用,采用成型干化工藝制備污泥-煤復(fù)合燃料,研究了不同污泥含水率,添加比例,冷壓成型壓力等因素對復(fù)合燃料成型的影響,以及不同溫度條件下復(fù)合燃料的干化特點.結(jié)果表明較好的工藝條件為:污泥初始含水率 60%～70%,成型時固含70%～80%.10～30MPa范圍內(nèi)成型壓力對落下強(qiáng)度影響較小.制備得到的成型燃料的落下強(qiáng)度可達(dá)到采用商用黏結(jié)劑制備得到的型煤水平.混合成型后的污泥復(fù)合燃料,和污泥相比明顯有利于水分的擴(kuò)散和揮發(fā),可在室溫及不高于 100℃條件下可以得到快速干化,實現(xiàn)污泥脫水及能源化利用的目的.

污泥；復(fù)合燃料；干化

城市污泥通常包括70%～80%的水分和20%～30%的固含,干基熱值范圍為 5844～19303kJ/kg[1],具有良好的潛在能源化利用價值[2].

目前,污水及污泥中能源的利用思路和方法主要有厭氧消化產(chǎn)甲烷[3]微生物燃料電池技術(shù)[4-5]、氣化[3]、熱解[6]、焚燒[2]等,但目前都存在能耗平衡,利用成本等問題.

污泥能源化利用的主要障礙在于污泥的高含水率,難以實現(xiàn)泥水分離.干化污泥或者直接燃燒時蒸發(fā)水分的能耗會抵消甚至高于污泥本身具有的熱值,污泥含水率降低到 30%才能實現(xiàn)能量平衡和有效利用[7].基于污泥的高含水率無法直接燃燒應(yīng)用,近年來一些研究將污泥和其他具有熱值的物質(zhì)混合成型制備復(fù)合燃料[8-11].

直接將污泥和煤混合成型,然后干化燃燒,具有以下幾方面的優(yōu)點:(1)可改善復(fù)合燃料的揮發(fā)分,使其易著火;(2)污泥的高含水率在混合干燥后可以增加復(fù)合燃料的孔隙,促進(jìn)空氣深入燃料內(nèi)部,燃燒完全,從而降低爐渣的含碳量;(3)可以在成型過程中利用污泥中的含水,使復(fù)合燃料更易均化和成型;(4)污泥具有一定的黏結(jié)效果,可作為黏結(jié)劑使用;(5)污泥可以在燃燒過程中提供一定熱值,節(jié)約煤炭用量.但目前,采用污泥和煤直接制備復(fù)合燃料以及干化的研究還較少.

本文分別采用含水率60%、70%、80%的城市污泥和煤直接混合、成型干燥,得到污泥-煤復(fù)合燃料,考察了初始污泥含水率,成型時固含,成型壓力對樣品的落下強(qiáng)度的影響,并對成型燃料的干燥特征進(jìn)行了分析,以期為污泥能源化利用并解決污泥處置問題提供一種簡單可行的解決途徑.

1 材料與方法

供試污泥:取自杭州七格污水處理廠剩余污泥,含水率 80%,干基熱值 9024J/g.為得到所需含水率污泥,將取得的剩余污泥在45℃條件下烘干至所需含水率.

煤來自某煤廠,干基熱值 28941J/g.在 110℃條件下干燥至恒重,粒度不大于 3mm.黏結(jié)劑取自某型煤廠.

實驗步驟:將一定含水率污泥和煤按所需比例混合,攪拌均勻,采用冷壓成型方式,在一定壓力下成型,模具為直徑20mm的圓柱體,成型樣品為直徑20mm,高約20mm的圓柱體.樣品成型后分別在室溫(25℃)、50,75,100℃等溫度條件下干燥,每隔一定時間間隔稱重至恒重為止.

失重速率計算:

式中:r,mt,mt+1,m0,m分別指失重速率,t時的樣品質(zhì)量,t+1時間點的樣品質(zhì)量,初始成型樣品的質(zhì)量,樣品干燥至恒重時的質(zhì)量.

將恒重后的樣品進(jìn)行落下強(qiáng)度的檢測[12].

2 結(jié)果與討論

2.1 成型條件對落下強(qiáng)度的影響

落下強(qiáng)度是復(fù)合燃料的重要指標(biāo),一定強(qiáng)度的燃料樣品便于保存和運(yùn)輸,并在熱利用(如氣化爐等)過程中保持穩(wěn)定的骨架結(jié)構(gòu).影響復(fù)合燃料強(qiáng)度的因素主要有污泥的初始含水率,污泥的添加比例,成型壓力等.

2.1.1 初始污泥含水率對復(fù)合燃料強(qiáng)度的影響 分別采用初始含水率為 60%、70%和 80%的污泥和煤進(jìn)行混合均化,得到固含為60%、70%和80%的混合原料,在不同壓力下成型,得到復(fù)合燃料樣品,室溫下干燥至恒重后進(jìn)行落下強(qiáng)度測定,實驗結(jié)果如圖1所示.

圖1 成型條件對落下強(qiáng)度的影響Fig.1 Effect of molding condition on drop shatter

采用初始含水率為 80%的污泥直接和煤混合制備得到的樣品,落下強(qiáng)度在90%左右,而采用初始含水率 60%和 70%的污泥制備得到的固含為70%、80%的樣品,落下強(qiáng)度多數(shù)在95%以上,如圖1(a)、圖1(b)所示,說明初始污泥含水率的降低及污泥用量的增加有利于成型燃料黏結(jié)效果的提高.污泥經(jīng)過一定的干化后還可以增加干基污泥的添加量.如采用 60%、70%初始含水率的污泥和煤配制固含 80%的復(fù)合燃料,和采用初始含水率 80%的污泥相比,干基污泥的添加量分別增加了17%和7%.

2.1.2 成型時固含對落下強(qiáng)度的影響 由圖1(c)可以看出,采用各梯度含水率的污泥制備得到成型時固含 60%的樣品,表現(xiàn)出較差的落下強(qiáng)度性能.此時,成型壓力的提高有利于樣品落下強(qiáng)度性能的提高,但均低于成型時固含為70%、80%的樣品.

由圖 1(a)和圖 1(b)可以看出,采用初始含水率70%及60%的污泥,成型時固含為70%、80%時,樣品的落下強(qiáng)度特征差別較小.

污泥中水分的存在有利于污泥和煤二者的混合均化,而在復(fù)合燃料成型的過程中,污泥本身的黏結(jié)性能使得成型的復(fù)合燃料具有一定的強(qiáng)度.采用較低含水率的污泥,實質(zhì)是增加了污泥干基的添加量,增加了“黏結(jié)劑”的用量,從而在一定程度上提高成型樣品的強(qiáng)度.

成型樣品干燥后水分揮發(fā),可以在樣品內(nèi)部形成一定的孔隙,有利于復(fù)合燃料充分燃燒.而當(dāng)成型樣品水分含量過高時,又不利于保持較高的強(qiáng)度.實驗發(fā)現(xiàn),采用含水率 60%、70%的污泥和煤混合,制備得到固含 70%、80%的復(fù)合成型燃料干燥后,落下強(qiáng)度可達(dá)到95%以上.

2.1.3 成型壓力對落下強(qiáng)度的影響 由圖 1(c)可以看出,成型后固含為60%的樣品,其跌落性能明顯低于其他樣品,成型壓力對該組樣品的落下強(qiáng)度有一定影響.隨著成型壓力的增大,樣品的落下強(qiáng)度升高.同時還可看出,相同壓力條件下,樣品表現(xiàn)出隨著成型時固含升高而落下強(qiáng)度升高的規(guī)律趨勢.

對于污泥初始含水率70%和80%,成型后固含70%或80%的樣品而言,成型壓力對落下強(qiáng)度的影響不大,如圖 1(a)和圖 1(b)中所示,且并不表現(xiàn)出壓力越大,效果越好的趨勢.成型壓力變化對樣品的落下強(qiáng)度影響不大,相同原料配比條件下,成型樣品的落下強(qiáng)度相似.

2.1.4 和型煤黏結(jié)劑效果的對比 由圖 2可以看出,復(fù)合燃料樣品與采用商用型煤黏結(jié)劑制備的型煤落下強(qiáng)度區(qū)別不大,甚至部分條件下復(fù)合燃料樣品的落下強(qiáng)度略好.采用污泥添加部分黏結(jié)劑制備所得樣品的落下強(qiáng)度亦無明顯變化.

采用污泥作為黏結(jié)劑,可以節(jié)約部分用水,并提供一定熱值,也實現(xiàn)了對污泥的減量化處理和資源化利用.

單獨(dú)采用型煤+黏結(jié)劑成型時,成型時固含較高,不能制備固含 70%,80%的樣品,實驗中較適宜的固含為 88%.在實際的型煤制備中,通常需要添加粘土、固硫劑等,起到提供成型的骨架、固硫等作用.污泥具備這些功能特點,其中的無機(jī)組分能起到固硫等作用[13],還可以提供熱值,制備得到的復(fù)合成型燃料具有多方面的優(yōu)點.

圖2 污泥黏結(jié)效果與商品黏結(jié)劑效果的比較Fig.2 Comparison of binding effect between sludge and the commercial binder

2.2 干化過程的失重規(guī)律

由圖3(a)可見,在室溫(25℃)條件下,開始24h是樣品失重的主要階段.固含為 60%、70%的樣品中70%的水分在該階段失去,而固含80%樣品中80%的水分在該階段失去.之后,失重速率減慢,樣品質(zhì)量72h后至恒重.

如圖3(b)、圖3(c)和圖3(d)所示,50,75,100℃時,70%固含樣品失重至恒重所需時間分別為 11,7.5,4h.80%固含樣品干化所需時間略短一些.

圖3 不同溫度下復(fù)合燃料的干化特點Fig.3 Drying characteristic of sludge–coal combined fuel samples at different temperatures

由圖 3還可以看出,干化速率在開始階段較快,后來慢慢變緩,超過70%的水分的干化都是在樣品完全干化所需時間的前 1/3階段完成的,之后干化效率逐漸降低.成型樣品的初始固含高,則干化初期失水速率會較高.

在干化過程中,干化速率整體呈遞減的趨勢,但會出現(xiàn)分階段的恒速失重過程,在圖 3(b)中表現(xiàn)較為明顯.即,干化速率很可能是下降-平衡-下降的過程,最終達(dá)到失重平衡.

干化過程是水的擴(kuò)散和蒸發(fā)過程.通過污泥和煤的混合,污泥分散為更小的顆粒,增大了與空氣的接觸界面,有利于水分向空氣傳質(zhì)過程的發(fā)生[14-15].此外,單獨(dú)的污泥干化過程中會出現(xiàn)表面結(jié)塊,阻礙內(nèi)部水分的揮發(fā),出現(xiàn)“泥芯”,而混合后樣品污泥顆粒變小,有利于污泥顆粒內(nèi)部水分的擴(kuò)散,避免了“泥芯”的出現(xiàn),也有利于實現(xiàn)污泥的徹底干化[15-16].因此,污泥-煤復(fù)合燃料樣品和單獨(dú)污泥樣品的干燥相比[17-18],其失水速率較高,混合可以加速污泥的干化.可以根據(jù)條件,利用太陽能或鍋爐煙氣余熱[18-19],實現(xiàn)污泥復(fù)合燃料的快速干化.

3 結(jié)論

3.1 采用成型-干化工藝制備污泥-煤復(fù)合燃料,污泥在混合成型燃料中可以起到黏結(jié)劑,固硫劑等作用,同時可以利用污泥的熱值,實現(xiàn)污泥的資源化利用目的.

3.2 污泥含水率以及樣品成型時的固含會對樣品的落下強(qiáng)度有較大影響.較佳的復(fù)合燃料成型條件為,污泥初始含水率 60%～70%,成型時固含

70%～80%.成型壓力在10～30MPa范圍內(nèi)對樣品的落下強(qiáng)度影響不大.

3.3 和單獨(dú)的污泥干化相比,成型復(fù)合燃料在室溫及不高于100℃條件下具有更快的干化速率,可以根據(jù)條件常溫或利用煙氣余熱等實現(xiàn)復(fù)合燃料的干化,避免污泥干化工藝本身所需的能耗.

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The molding and drying characteristics of sludge-coal combined fuel.

ZHANG Hui1, HU Qin-hai1*, TENG Wei2, LIU Miao1, LI Xia1(1.Institute of Environmental and Ecological Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China；2.Department of Chemistry, Fudan University, Shanghai 200438, China).China Environmental Science, 2013,33(3)：486～490

Sludge-coal combined fuel was produced through moulding-drying process in order to use sludge as fuel. The influence of initial water content, amount of addition of sewage sludge and moulding pressure on characteristics of combined fuel, and drying characteristics at different temperatures was studied. The results showed that, the optimization process conditions were: sludge initial moisture content 60%～70%, and 70%～80% of solid content in moulded sludge-coal. The drop shatter had been less influenced by moulding pressure at range of 10～30MPa. Combined fuel prepared from sludge had good strength of drop shatter, which was the same as commercial briquette level. Compared with sewage sludge, the moulded sludge-coal could be dried more easily and quickly at temperature of room or lower than 100℃. Thus, the rapid dehydration of sewage sludge as well as the use as a potential energy was achieved.

sewage sludge；combined fuel；drying characteristic

X705

A

1000-6923(2013)03-486-05

2012-07-12

浙江省科技廳科研項目(NO.200723032)

* 責(zé)任作者, 副教授, qhhu@zju.edu.cn

張 輝(1982-),男,河南三門峽人,浙江大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院博士研究生,主要從事固體廢棄物的處置與資源化利用研究.發(fā)表論文7篇.