造纸污泥与粉煤混燃的燃烧特性研究

张 凝 刘敬勇 周剑波 魏培涛 罗海健

（1.广东诚亚节能科技有限公司，广东 广州 510300；2.广东工业大学，广东 广州 510006）

0 引言

造纸污泥是一种成分复杂的废弃物，主要包括不溶性纤维素以及填料、凝聚剂等，含水率高（60%以上）、成分复杂且处理利用难度大[1]。与其他废物的处理一样，减量化、无害化、资源化是造纸污泥处理的发展趋势，以往采用的海洋倾倒和卫生填埋都会对环境造成巨大污染[2]，焚烧法正是顺应这种趋势而产生的有前途的污泥处理方法。

本文以广东某造纸厂经过带式压滤机脱水后的污泥为研究对象，采用综合热重分析仪对其燃烧特性进行了研究，考察了与粉煤不同的混合比例条件下的失重特征，以期为造纸污泥掺混粉煤燃烧、焚烧设备的运行及燃烧参数的确定提供指导。

1 材料与方法

1.1 试样

污泥采自广东某造纸厂的脱水车间，将污泥自然干燥14d，研磨后过80 目筛。煤样为广东某煤场烟煤，煤样为空气干燥基，研磨后过80 目筛。实验试样为污泥、煤粉及4 种不同比例的混合试样，混合试样中粉煤质量分数分别为10%、20%、30%和40%。污泥和粉煤的元素分析和工业分析如表1 所示，造纸污泥具有高挥发分、低固定碳和低热值的特点，而粉煤具有高固定碳、高热值和低挥发分的特点。

1.2 实验装置和条件

采用德国耐驰公司综合热分析仪（STA409PC），可获得试样的热重曲线（TG）、微商热重曲线（DTG）。主要技术数据如下：热天平精度1μg；最大试样量1000mg；温度范围室温～1400℃；实验气氛为空气、氮气；升温速率范围0.1～30K/min。样品粒度小于80 目，按要求均匀混合后取样；升温速率20K/min；试样质量9mg 左右；实验氛围空气，流量为50mL/min。

表1 各试样的元素分析和工业分析及发热量

2 实验结果

3.1 造纸污泥及煤燃烧热重曲线

图1 造纸污泥及煤燃烧TG 曲线

图2 造纸污泥及煤燃烧DTG 曲线

图3 泥煤混合试样燃烧TG 曲线

图4 泥煤混合试样燃烧DTG 曲线

表2 试样燃烧时各失重阶段的温度区间和失重率

从造纸污泥在不同升温速率条件下TG 和DTG 曲线（图1 和图2）可以发现，污泥燃烧过程中可分为3 个阶段，各阶段的温度区间及失重率见表2，温度区间的分界点取DTG 曲线上两区间相邻处的极小值点[3]。由于采用风干后的污泥样品，所以图2 显示的第1 个失重峰较小，此阶段为脱水阶段。失重主要是由于污泥中自由水和化学结合水析出[4]，水分蒸发吸收汽化潜热，表现在DTG 曲线上有一个吸热峰。第2 阶段是挥发分的析出和燃烧，此阶段DTG 曲线首先有一个明显的失重峰，并在其后有一个侧峰，其原因应该是污泥所含挥发分的成分比较复杂，各成分的化学键强弱不一造成的[5]。此阶段失重率在43.5%左右，可能是由于半挥发性组分混合物，或者是存在于细胞中和污泥稳定化处理过程中形成的有机聚合体等含碳化合物的C—C 键断裂，产生CO2、CO 和部分水蒸气造成的[6]。第3 阶段有一个明显的失重峰，此阶段应该是污泥中少量固定碳的燃烧过程，主要是污泥中高沸点有机物被分解，比如纤维素等难降解物质的燃烧，这与污泥的成分有较大的关联。煤的TG 和DTG 曲线明显不同于污泥，其燃烧过程可分为两个阶段，即挥发分析出阶段和固定碳燃烧阶段。煤在固定碳燃烧阶段表现为一个较宽的失重峰，该阶段失重率为80.77%，这说明固态炭的燃烧在煤的燃烧中起着主要作用。

3 结论

造纸污泥燃烧过程存在3 个明显的失重区域，其中前两个为挥发分析出阶段，最后一个为固定碳燃烧阶段，且挥发分析出控制整个污泥的燃烧过程。

［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］刘乃安.生物质材料热解失重动力学及其分析方法研究[D].合肥：中国科技大学，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.