造紙污泥與粉煤混燃的燃燒特性研究

張 凝 劉敬勇 周劍波 魏培濤 羅海健

（1.廣東誠亞節能科技有限公司，廣東 廣州 510300；2.廣東工業大學，廣東 廣州 510006）

0 引言

造紙污泥是一種成分復雜的廢棄物，主要包括不溶性纖維素以及填料、凝聚劑等，含水率高（60%以上）、成分復雜且處理利用難度大[1]。與其他廢物的處理一樣，減量化、無害化、資源化是造紙污泥處理的發展趨勢，以往采用的海洋傾倒和衛生填埋都會對環境造成巨大污染[2]，焚燒法正是順應這種趨勢而產生的有前途的污泥處理方法。

本文以廣東某造紙廠經過帶式壓濾機脫水后的污泥為研究對象，采用綜合熱重分析儀對其燃燒特性進行了研究，考察了與粉煤不同的混合比例條件下的失重特征，以期為造紙污泥摻混粉煤燃燒、焚燒設備的運行及燃燒參數的確定提供指導。

1 材料與方法

1.1 試樣

污泥采自廣東某造紙廠的脫水車間，將污泥自然干燥14d，研磨后過80 目篩。煤樣為廣東某煤場煙煤，煤樣為空氣干燥基，研磨后過80 目篩。實驗試樣為污泥、煤粉及4 種不同比例的混合試樣，混合試樣中粉煤質量分數分別為10%、20%、30%和40%。污泥和粉煤的元素分析和工業分析如表1 所示，造紙污泥具有高揮發分、低固定碳和低熱值的特點，而粉煤具有高固定碳、高熱值和低揮發分的特點。

1.2 實驗裝置和條件

采用德國耐馳公司綜合熱分析儀（STA409PC），可獲得試樣的熱重曲線（TG）、微商熱重曲線（DTG）。主要技術數據如下：熱天平精度1μg；最大試樣量1000mg；溫度范圍室溫～1400℃；實驗氣氛為空氣、氮氣；升溫速率范圍0.1～30K/min。樣品粒度小于80 目，按要求均勻混合后取樣；升溫速率20K/min；試樣質量9mg 左右；實驗氛圍空氣，流量為50mL/min。

表1 各試樣的元素分析和工業分析及發熱量

2 實驗結果

3.1 造紙污泥及煤燃燒熱重曲線

圖1 造紙污泥及煤燃燒TG 曲線

圖2 造紙污泥及煤燃燒DTG 曲線

圖3 泥煤混合試樣燃燒TG 曲線

圖4 泥煤混合試樣燃燒DTG 曲線

表2 試樣燃燒時各失重階段的溫度區間和失重率

從造紙污泥在不同升溫速率條件下TG 和DTG 曲線（圖1 和圖2）可以發現，污泥燃燒過程中可分為3 個階段，各階段的溫度區間及失重率見表2，溫度區間的分界點取DTG 曲線上兩區間相鄰處的極小值點[3]。由于采用風干后的污泥樣品，所以圖2 顯示的第1 個失重峰較小，此階段為脫水階段。失重主要是由于污泥中自由水和化學結合水析出[4]，水分蒸發吸收汽化潛熱，表現在DTG 曲線上有一個吸熱峰。第2 階段是揮發分的析出和燃燒，此階段DTG 曲線首先有一個明顯的失重峰，并在其后有一個側峰，其原因應該是污泥所含揮發分的成分比較復雜，各成分的化學鍵強弱不一造成的[5]。此階段失重率在43.5%左右，可能是由于半揮發性組分混合物，或者是存在于細胞中和污泥穩定化處理過程中形成的有機聚合體等含碳化合物的C—C 鍵斷裂，產生CO2、CO 和部分水蒸氣造成的[6]。第3 階段有一個明顯的失重峰，此階段應該是污泥中少量固定碳的燃燒過程，主要是污泥中高沸點有機物被分解，比如纖維素等難降解物質的燃燒，這與污泥的成分有較大的關聯。煤的TG 和DTG 曲線明顯不同于污泥，其燃燒過程可分為兩個階段，即揮發分析出階段和固定碳燃燒階段。煤在固定碳燃燒階段表現為一個較寬的失重峰，該階段失重率為80.77%，這說明固態炭的燃燒在煤的燃燒中起著主要作用。

3 結論

造紙污泥燃燒過程存在3 個明顯的失重區域，其中前兩個為揮發分析出階段，最后一個為固定碳燃燒階段，且揮發分析出控制整個污泥的燃燒過程。

［1］Vladimir S，Tim J E.Thermal processing of paper sludge and characterization of its pyrolysis products [J].Waster Management，2009，29（5）：1644－1648.

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［3］劉乃安.生物質材料熱解失重動力學及其分析方法研究[D].合肥：中國科技大學，2000，95－97.

［4］Chen X G，S.Jeyaseelan.Study of sewage sludge pyrolysis mechanism and mathematical modeling [J].Journal of Environmental Engineering，2001，127（7）：585～593.

［5］Schnidt H，Kaminsky W.Pyrolysis of oil sludge in a fluidized bed reactor[J].Chemosphere，2001，45（3）：285－290.

［6］Conesa J A，Marcilla A，Prats D，et al.Kinetic study of the pyrolysis of sludge[J].Waste Management &Research，1997，15（3）：293－305.