廣州城市污泥燃燒性能綜合評價及其燃燒動力學(xué)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(jìn)行了熱重實(shí)驗(yàn)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(shù). 研究發(fā)現(xiàn),廣州當(dāng)前城市污泥具有高揮發(fā)分、低固定碳和低熱值的特點(diǎn).整個污泥燃燒可以分為水分析出、揮發(fā)分析出、揮發(fā)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(fā)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(zhì)有關(guān).從揮發(fā)分釋放特性指數(shù)D、可燃性指數(shù)C、綜合燃燒特性指數(shù)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(shù)外,其他指數(shù)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(yīng)的機(jī)理方程及相應(yīng)的活化能參數(shù),發(fā)現(xiàn)活化能大小與污泥的燃燒階段是相對應(yīng)的。
關(guān)鍵詞：城市污泥 熱重分析 動力學(xué)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(jù)統(tǒng)計,中國每年產(chǎn)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(jī)毒物,這些污泥如不經(jīng)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(tài)破壞. 污泥處理措施一般分為用作農(nóng)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(yōu)點(diǎn)而得到較大程度的應(yīng)用。
針對污泥焚燒處理,國內(nèi)外很多學(xué)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(zhì)混合燃燒行為進(jìn)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(jī)理和特性,并采用多種評價參數(shù)對污泥燃燒特性進(jìn)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(zhì)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(fā),得出了由3 個獨(dú)立的、連續(xù)的平行反應(yīng)組成的動力學(xué)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(xué)特性. 沈伯雄等(2005)研究發(fā)現(xiàn),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(yè)污泥的助燃作用. 目前,研究污泥燃燒機(jī)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(yīng),如一級反應(yīng),通過預(yù)先設(shè)定反應(yīng)機(jī)理模型進(jìn)行數(shù)值擬合,或者對高低溫分別進(jìn)行擬合。 事實(shí)上,污水污泥的熱解、燃燒過程中,灰分、揮發(fā)分的成分都比較復(fù)雜. 揮發(fā)分的析出、氧氣的擴(kuò)散、化學(xué)反應(yīng)速率隨溫度的變化,在其燃燒過程不斷從動力區(qū)向擴(kuò)散區(qū)進(jìn)行轉(zhuǎn)換;而且,氧氣向內(nèi)部擴(kuò)散與產(chǎn)物氣體向外擴(kuò)散又相互阻礙,因此,簡單的假設(shè)往往掩蓋了反應(yīng)過程的復(fù)雜性和機(jī)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(tǒng)計表明(馬學(xué)文等,2011),2003—2008 年5 年間,污泥中含有的重金屬及有機(jī)質(zhì)都發(fā)生了變化,呈現(xiàn)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(diǎn), 并且預(yù)計到2020年,廣州市中心城區(qū)污水量將達(dá)4. 30 ×106 m·3 d-1(陳貽龍等,2007). 按污泥產(chǎn)生量是污水量的0. 3% ~0. 5%計算,屆時污泥產(chǎn)量將達(dá)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(dāng)前城市污泥燃燒特性進(jìn)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(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)肇慶市某污水處理廠脫水污泥進(jìn)行系統(tǒng)取樣,通過熱重實(shí)驗(yàn),計算得出污泥4 類燃燒指數(shù),全面評價廣州當(dāng)前城市污泥的燃燒性能. 同時,借鑒煤燃燒機(jī)理,通過假設(shè)不同的反應(yīng)機(jī)理,采用Coats-Redfem 積分法進(jìn)行擬合推斷,識別不同轉(zhuǎn)化率區(qū)間可能存在的反應(yīng)機(jī)理,以期為污泥焚燒設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計、運(yùn)行及燃燒工況的組織等提供理論參考。
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