污泥燃烧特性及动力学分析

卢洪波，杨 健，苏桂秋

(东北电力大学能源与动力工程学院，吉林吉林132012)

随着经济的迅猛发展以及人口数量的快速增加，我国污水的处理量也在日益增加，污水同时污泥的产量也就越来越大。随着人们环保意识的日益增强，污泥处理的要求也越来越严格。污泥除了含有有机营养元素以外，还含有大量的细菌、寄生虫和病毒，处理过程中还会有铝、锌、铜、汞、砷等重金属沉淀到污泥中，并且二噁英、各种盐类、放射性核素、多氯联苯等难以降解的有毒物质都会对人类的生存环境造成严重污染。污泥的焚烧技术可以使污泥达到减量化，无害化，资源化。并且可以回收污泥中的能量用于发电和供热等，因此污泥焚烧被认为是处理污泥的最有效的途径之一［1－3］。

目前，国内外普遍采用热重分析法对污泥与煤混燃和燃烧机理及动力学特性进行研究［4－8］。Puchong Thipkhunthod等人［9］对污泥的热解特性进行了研究，发现热解的实验温度达到800℃，研究结果发现污泥的主要分解阶段温度在250℃－550℃之间，热解气体含有轻质烃、乙醇、甲基氯、CO2。李春雨等人［10］对不同种类的污泥进行了热重实验研究，结果表明污泥的挥发分析出比较复杂，污泥燃烧分为两个阶段:挥发分析出燃烧和固定炭燃烧，并且通过动力学分析得到污泥燃烧的活化能值比较低。本文研究了污水污泥、罐底油泥燃烧的燃烧失重过程，分析了在不同升温速率下污泥燃烧特性，采用C－R方法求解了污泥动力学参数及其燃烧机理，从而为污泥燃烧工程应用提供依据及评价方法。

1 实验部分

1.1 样品制备

实验污水污泥选取吉林市某化工厂的污水污泥和罐底油泥，污水污泥和罐底油泥的的工业分析见表1(分析数据为空气干燥基)。将污水污泥和罐底油泥放入干燥箱干燥24 h，干燥温度设置为50℃，然后将干燥后的污水污泥和罐底油泥进行研磨并用100目的筛子进行筛分，最后将样品进行保存。

表1 污水污泥和罐底油泥的工业分析

1.2 实验设备及其方法

实验采用美国珀金爱尔默(Perkin Elmer)公司生产的Pyris－1型热分析仪。测量温度范围为室温－900℃或燃料质量恒定，升温速率分别为20℃/min、40℃/min、60℃/min。工作气氛为模拟空气(O2∶N2=1∶4)，流量为50 mL/min。实验样品用量为2 mg。

2 实验结果与分析

2.1 不同种类污泥的燃烧过程分析

图1和图2为两种污泥在不同升温速率下燃烧的TG和DTG曲线。可以发现:两种污泥的燃烧曲线都具有各自的特点，反应的起始和终止温度、燃烧峰值、燃烧反应速率和剩余残留物比例各不相同。

图1 不同升温速率下污水污泥的燃烧热重曲线

图2 不同升温速率下罐底油泥的燃烧热重曲线

由图1污水污泥燃烧的TG和DTG曲线可以发现:污水污泥在燃烧过程中分为三个失重阶段，即水分蒸发阶段、挥发分的析出燃烧阶段和固定碳的燃烧阶段。以40℃/min升温速率为例，水分析出阶段在初始温度到200℃，此时污泥并未着火;200℃－470℃左右是挥发分析出燃烧阶段，是污泥燃烧过程中的最大失重阶段，在306℃左右达到最大失重速率10.91%/min;470℃－730℃是固定碳的燃烧阶段，主要是污泥中像难降解的纤维素的一类有机物的燃烧反应，该阶段的失重率为23.14%。罐底油泥的燃烧过程有两个明显的失重峰，从室温加热开始至134℃出现水分蒸发，135℃－443℃为罐底油泥中挥发分的析出和燃烧，且罐底油泥的失重率为31.98%，最大失重速率为8.38%/min。在443℃－820℃为罐底油泥中固定碳的燃烧和矿物质的分解，在此阶段罐底油泥的失重率为19.21%，最大失重速率为3.47%/min，与污水污泥的燃烧曲线相比，罐底油泥的失重率要小于污水污泥的失重率，这正好印证了工业分析中罐底油泥所含灰分大于污水污泥的灰分含量。罐底油泥在第二、三阶段的失重温度都要比污水污泥略微提前，失重率小于污水污泥，且两个阶段的最大失重速率要比污水污泥小很多，这主要是由于两种污泥的组成成分有较大差异。

2.2 不同升温速率下污泥的燃烧特性分析

根据本文的实验目的，选取了以下主要的燃烧热性参数:

(1)着火温度Ti，着火温度是实验样品开始燃烧反应时的温度，着火温度的高低可以反映出实验样品燃烧开始时的难易程度［11］。

(2)实验样品最大燃烧速率(dw/dt)max及其对应的峰值温度Tmax。最大燃烧速率是指试验样品燃烧的DTG曲线上易燃峰所对应的峰值，最大燃烧速率反映了实验样品的燃烧性能，最大燃烧速率越大，且对应的温度越低，则实验样品的燃烧稳定性也越好。

(3)实验样品的平均燃烧速率(dw/dt)mean，指实验样品中的可燃成分与其燃烧所经历的时间之比。

(4)实验样品燃尽温度Th，指实验样品燃烧掉其可燃部分的98% 时所对应的温度为实验样品，在此温度所对应的时间就是燃尽时间Th［12］。

由表2可知，随着升温速率的增加，污水污泥、罐底油泥的着火温度Ti和燃尽温度Te都有所提高。这是由升温速率越大，试样燃烧时达到相同温度所经历的时间就越短，反应程度也越低，同时样品的内外温度梯度也越大，使得热滞后现象加重导致的。随着升温速率的增大，两种污泥的最大失重速率和平均失重速率越大。升温速率增大，使得试样单位时间内受到的热冲击增大，加速了试样与氧气的反应速率，导致燃烧速率加快。随着升温速率的增加，污水污泥和罐底油泥的各项燃烧特性指数都呈现升高趋势。在相同升温速率下比较各燃烧特性指数Kr，Gb和S可知，污水污泥的燃烧特性指数高于罐底油泥。

表2 不同升温速率下污水污泥的燃烧燃烧特性参数

表3 不同升温速率下污水污泥的燃烧燃烧特性参数

3 污泥燃烧动力学分析

本文采用C－R积分法求对式(1)求导并整理得到C－R法的积分形式如下:

式中:G(α)为反应机制函数f(α)的积分形式;由于就试验热反应测温范围以及绝大部分E值而言近似为常数，令对于恰当的热反应机制函数G(α)而言与成线性关系，依据线性拟合相关系数最高的拟合方程Y=a+bX的斜率和截距即可以求解E和A。本计算选取常用的机理函数是求解E和A［15］，常见的机理函数见参考文献［15］。

表4和表5是计算得到的两种污泥的燃烧动力学参数，可以看到:污水污泥在挥发分析出燃烧阶段的燃烧反应机理为随机成核和随后生长，在固定碳燃烧阶段的燃烧反应机理为三维扩散。罐底油泥在在挥发分析出燃烧阶段的燃烧反应机理为随机成核和随后生长，在固定碳燃烧阶段的燃烧反应机理为二维扩散。两种污泥在挥发分析出燃烧阶段的活化能均高于固定碳燃烧阶段，说明两种污泥的挥发分析出燃烧比固定碳的燃烧要困难，同时挥发分的燃烧也为后阶段固定碳的燃烧提供了一定的热量。两种污泥的频率因子在挥发分燃烧阶段均大于固定碳燃烧阶段，说明两种污泥在挥发分析出燃烧阶段的活化分子高于固定碳燃烧阶段，且燃烧激烈程度也高于固定碳燃烧阶段。随着升温速率的增大，污水污泥在两个阶段燃烧的活化能先降低后升高，说明污水污泥在40℃/min升温速率下更有利于污水污泥的燃烧。在升温速率增大时，罐底油泥挥发分析出燃烧阶段的活化能先减小后增大，在固定碳燃烧阶段活化能逐渐减小，在60℃/min升温速率下，罐底油泥两个阶段的活化能很接近，但在升温速率为60℃/min时的频率因子均高于升温速率为40℃/min时，说明升温速率为60℃/min时对罐底油泥的燃烧更有利。

表4 不同升温速率下污水污泥燃烧的动力学参数

表5 不同升温速率下罐底油泥燃烧的动力学参数

4 结 论

(1)污水污泥有明显的水分失重峰，而罐底油泥则没有。污泥燃烧可以分为三个阶段:水分的蒸发阶段、挥发分的析出和燃烧阶段和固定碳的燃烧阶段。污泥的燃烧呈双峰特点，污泥的燃烧主要发生在挥发分析出燃烧阶段。

(2)随着升温速率的增加，污泥的着火温度、燃尽温度和峰值温度逐渐增大，最大失重速率、平均燃烧速率、可燃性指数、稳燃性指数和综合燃烧性指数均呈现升高趋势。

(3)污水污泥和罐底油泥的燃烧分为两个温度区间来求活化能，两种污泥在挥发分析出燃烧阶段的活化能均高于固定碳燃烧阶段，两种污泥的挥发分析出燃烧比固定碳的燃烧要困难。两种污泥的频率因子在挥发分燃烧阶段均大于固定碳燃烧阶段。

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