采用热重分析法研究煤掺烧干污泥燃烧特性

李洋洋,金宜英*,李 欢(.清华大学环境科学与工程系,北京 00084；.清华大学深圳研究生院,广东 深圳58055)

采用热重分析法研究煤掺烧干污泥燃烧特性

李洋洋1,金宜英1*,李 欢2(1.清华大学环境科学与工程系,北京 100084；2.清华大学深圳研究生院,广东 深圳518055)

利用热重分析法对干污泥和煤及二者混合样的燃烧特性进行了研究.结果表明,在空气介质、升温速率25℃/min、温度范围20～1000℃的情况下,干污泥分别在280℃、480℃出现2个失重峰,煤在500℃时出现1个失重峰.随着干污泥掺烧比增加,混合样失重速率峰值及最大燃烧速率值增大,出现温度提前.一定比例范围的干污泥掺烧可以改善煤的着火性能,有利于煤的稳定燃烧,燃料的可燃烧性指数增加,使燃烧特性改善,该指数介于干污泥和煤单一成分燃烧特性指数之间.

热重分析；污泥；煤；掺烧比；燃烧特性

城市污水处理厂每年产生大量的污泥,其处理成本已经成为制约该行业发展的瓶颈因素.单独建设污泥处置设施不仅投资成本高,且运行费用昂贵,利用其他工业的余热资源,干化污泥、燃烧设备焚烧污泥,可以大幅降低污泥的处理费用[1].污泥脱水后含水率一般在 80%左右,处理量大时,一般先经热干化干燥成干污泥,再与煤混烧.虽然干污泥热值较高,但灰分含量高、碳转化率低,因此在污泥的热转化过程中控制费用耗费较多[2].李培生等[3]通过差热分析研究,得到污泥与煤燃烧的反应动力学参数,二者燃烧各自保持独立性.Liao Yan Feng等[4]采用热重分析法对煤与造纸污泥热解及焚烧过程进行了研究,结果发现加热速率较高时,污泥挥发阶段出现较早;污泥与煤混合物的着火及燃烧特性随着污泥的掺烧比例不同而不同.Xiao HanMin等[5]采用热重分析方法对燃烧空气中不同含氧量、不同加热速度时污泥与煤的混烧特性进行了研究.国外研究者

[6-10]对一些化石燃料、替代燃料及几种固体废物在不同控制条件下的升温速率、空气流速等混烧特性的模型进行了相关研究.

本试验采用热重分析法对不同干污泥及煤掺烧比例时混合燃料的热失重过程进行分析,获得不同掺烧比例时干污泥与煤混合燃烧特性,从而为污泥与煤混烧提供初步理论依据.

1 材料与方法

1.1 材料

试验所用煤来自北京市某锅炉房,污泥样品为北京市某污水处理厂的脱水泥饼,pH6.69.将污泥干燥后破碎,试样粒度过150目筛.

表1 煤与污泥理化特性Table 1 Characteristics of the sludge and coal

1.2 试验方法

实验采用热重分析仪为:STA409 C131F型,技术指标:温度范围为室温～1600.℃样品重量≤20g 温升速率为 0.1～99.9℃/min.测试条件:升温速率 25℃/min,试样质量为(20±0.1)mg,含水率为8.53%.试验温度范围 20～1000℃,燃烧气氛为空气介质.

1.3 分析方法

1.3.1 着火温度 煤的着火温度(Ti)是指煤在空气或氧气中加热时达到连续燃烧的最低温度,着火温度可以反映燃料点燃的难易程度.着火温度只能代表煤在燃烧初期的反应能力,不能概括整个烧燃过程.

为将各煤种以燃烧性能的优劣排成序列,采用可燃性指数进行比较.可燃性指数可以反映燃料点燃的难易程度,燃烧的快慢及燃尽的难易程度[11].可燃性指数越大,燃料燃烧着火稳定性越好.

1.3.2 综合燃烧特性指数 采用综合燃烧特性指数(S)来表征混合样品的综合燃烧性能.S越大,燃料的燃烧特性越好[14].

式中: (dW/dt)max为最大燃烧速率,%/min; (dW/dt)mean为可燃质平均燃烧速率,%/min;Th为燃尽温度,℃;Ti为着火温度,℃.

2 结果与讨论

2.1 样品失重特性分析

由图 1可见,干污泥焚烧过程中的失重主要分为2个阶段:第一阶段位于200～400℃之间,主要为干污泥中易挥发部分的析出及燃烧过程,占总失重的42.25%;第二阶段位于450～550℃之间,主要为干污泥中相对难挥发部分的析出及燃烧过程,占总失重的27.75%.2个失重峰的峰值温度分别为280,480,℃对应的失重速率峰值为5.524,9.885%/min;煤样的热重曲线(TG)只在400～600℃区间内出现了一次明显的失重过程,占总失重的 76.93%,微分热重曲线(DTG)上对应一个独立的失重过程.煤样失重速率峰值出现在500℃,为 13.92%/min.这与干污泥和煤样中的挥发分含量有关系.由于煤样中的挥发分含量低,挥发分析出温度比干污泥高,因此干污泥中的挥发分析出过程造成了样品失重率与失重量要比煤样显著.而煤样中挥发分析出与焦炭燃烧阶段没有明显分开,从而导致挥发分析出阶段煤样的DTG曲线没有出现明显的独立失重速率峰.由此说明,污泥与煤的燃烧过程存在差异.污泥的燃烧过程,挥发分的析出和燃烧占主要作用;煤燃烧时,焦碳燃烧占主要作用.

为了研究干污泥与煤混合时的燃烧特性,将干污泥与煤的掺烧比例分别设为 3%,5%,10%,20%,30%,50%,80%的掺烧比例进行热重分析实验.干污泥与煤分别在空气介质中从 20至1000

℃加热升温,升温速率 25℃/min,两者的 TG与DTG曲线如图2所示.

从图2中可以看出,干污泥与煤掺烧时,混合样的TG曲线在400～600℃时有1个明显的失重阶段.3种干污泥掺烧比下的DTG曲线的失重速率峰值随着掺烧比的提高而升高,分别为 8.189,8.266,8.827%/min,对应的温度分别为 470,450,440.℃

图1 干污泥与煤在空气介质中的TG-DTG曲线Fig.1 TG-DTG curves of dried sludge and coal in air medium from 20 to 1000℃ with heating rate of 25/min℃

图2 不同干污泥掺烧比例时污泥与煤的TG-DTG曲线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℃

当煤中掺烧干污泥时,混合样品中的挥发分含量比单一煤时高,比单一干污泥时低,所以随着掺烧干污泥时的最大失重速率均比单一煤样时低.掺烧比例增大时,混合样中的挥发分量进一步增加,挥发分的析出阶段失重增加,掺烧比10%时的失重速率比 3%和 5%时要高 0.638%、0.561%/min.焦炭燃烧阶段的失重速率峰出现的温度随着掺烧比增加而降低,以掺烧比为 10%为例,分别比3%、5%时降低了30,10℃,比单一煤样提前了60℃.

因此,干污泥与煤掺烧时,随着干污泥掺烧比的增加,样品的挥发分失重速率峰值增大,失重速率峰出现的时间提前,出现时的温度降低,样品挥发出的质量增加.

2.2 燃烧着火特性及燃尽特性分析

表2 干污泥及煤不同掺烧比例时的燃烧特性参数Table 2 Combustion parameters of dried sludge combusted with different ratio of coal

图3 不同干污泥掺烧比例时混合燃料C与S曲线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,着火温度越低时,燃料越容易燃烧.从表2及图3中可以看出,干污泥的着火温度比煤低35,℃随着干污泥掺烧比例的增大,混合样的最大燃烧速率值升高,最大燃烧速率出现的温度提前.同时,污泥与煤混合样的着火温度降低,混合样的可燃性指数C介于污泥和煤样可燃性指数之间.这说明掺烧污泥后样品的着火性能得到了改善,掺烧一定量的干污泥可以改善煤的着火性能,有利于煤的稳定燃烧.这是因为污泥中挥发分含量较高,掺烧干污泥后,混合样中的挥发分可以在温度较低时析出.

2.3 混合燃烧特性指数分析

从图 3中可以看出,干污泥的掺烧比例较大时,燃料的可燃烧性指数增加,混合燃料的燃烧特性变好,但是比污泥和煤单一成分的燃烧特性指数小.结合着火温度及燃尽温度,干污泥的掺烧比例增加时有利于混合燃料的燃烧.但掺烧比例过大时,不利于改善燃料的燃烧性能.

3 结论

3.1 污泥燃烧过程挥发分占主要作用,单一干污泥样的TG曲线主要有2次失重阶段,分别为易挥发分及难挥发分的析出及燃烧段,分别占总失重的42.25%,27.75%.DTG曲线上对应2个独立失重速率峰,对应温度分别为280、480℃.煤样燃烧过程中焦炭起主要作用,只表现一次明显失重过程,占总失重的76.93%,对应温度为500℃.

3.2 混合燃烧时,随着干污泥掺烧比例的增加,混合样的挥发分失重速率峰值增大,失重速率峰出现的时间提前,出现时的温度降低.

3.3 煤样中掺烧污泥后,与单一煤样相比,污泥与煤混合样的着火温度降低,可燃性指数减少,综合燃烧性能下降.

3.4 工业企业掺烧污泥技术上是可行的,合理的污泥掺烧比例通过综合考虑着火温度、最大燃烧速率燃烧特性指数等来确定.

[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 洁,胡 益,等.基于DTA方法的污泥与煤混合物燃烧反应动力学 [J]. 华中科技大学学报(自然科学版),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] Sørum L, Grønli 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.用热重法确定煤的着火温度与可燃性指数 [J]. 山东电力技术, 1994,2:68-71.

[12] 刘 亮,李录平,周孑民,等.污泥和煤混烧特性的热重试验研究[J]. 华北电力大学学报, 2006,33(6):76-79.

[13] 孙学信.燃煤锅炉燃烧实验技术与方法 [M]. 北京:中国电力出版社, 2002.

[14] 聂其红,孙绍增,李争起,等.褐煤混煤燃烧特性的热重分析法研究 [J]. 燃烧科学与技术, 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”国家科技支撑计划项目(2009BAC64B06)

* 责任作者, 副教授, jinyy@tsinghua.edu.cn

李洋洋(1984-),男,河南确山人,硕士研究生,主要从事固体废物控制及资源化研究.发表论文3篇.