污泥干化平台产品粒径分布及热重实验研究

方立军，刘玉东，边 岩，杨亚利

(华北电力大学 能源动力与机械工程学院，河北保定071003)

污泥干化平台产品粒径分布及热重实验研究

方立军，刘玉东，边 岩，杨亚利

(华北电力大学 能源动力与机械工程学院，河北保定071003)

污泥粒径对污泥与煤粉掺烧影响较大，为此选取某电厂污泥干化实验平台中不同参数下的出口污泥，采用MAZ3000激光粒度分析仪和NETZSCH STA 409PC综合热分析仪测定其粒径范围，并将不同粒径下污泥与煤掺烧进行热重实验。结果表明：污泥粒径影响因素较多，其中干燥时间对污泥粒径影响较大；污泥干化平台最佳干燥参数为45 /25 Hz和5 /45 Hz；20%污泥掺混煤粉燃烧时，样品燃烧特性受污泥与煤粉的共同影响，其TG/DTG曲线与污泥单独焚烧时表现一致，掺入污泥后能显著缩短反应时间，加快反应进程，综合燃烧性能得到加强。研究结果对火电厂掺烧污泥具有指导意义，为热电厂协同处置污泥提供了一定的理论及数据支持。

污泥干化平台；粒径；热重实验；掺烧；燃烧特性

0 引言

污泥的无害化处理方法主要有卫生填埋，热化学处理和农用堆肥等几种方法，其中热处理包括干化、焚烧和热解[1]。热电厂协同处置污泥普遍采用污泥与煤粉干化掺烧的方法，干化时可利用热电厂蒸汽热源，掺烧时又可以利用电厂已有的焚烧和尾气处理设备，节约了投资和运行成本。

但是在热电厂协同处置污泥的过程中，由于污泥本身的一些特性，会给干化和掺烧阶段带来一些影响，其中污泥粒径就是一个重要的影响因素。在煤粉燃烧过程中，粒径大小对煤的着火特性、燃尽特性以及综合燃烧特性方面均有影响[2]。对污泥进行不同氧气浓度和粒径条件下的热重实验，发现粒径大小对气体的扩散和热传导有较大影响，粒径减小，反应区间变窄，失重量增加，燃烧始终速率峰值增大[3]。在以往的文献中，对于污泥粒径对污泥与煤粉掺烧影响的研究较少，因此有必要对干化污泥粒径及焚烧特性进行实验室研究。

本文选取某电厂污泥干化实验平台中不同参数下的出口污泥，通过测定其粒径范围及不同粒径下污泥与煤掺烧的热重实验，研究污泥干化实验平台最佳工作参数及出口污泥粒径分布，污泥粒径对污泥及煤粉燃烧特性的影响，以期为热电厂协同处置污泥提供一定的理论及数据支持。

1 实验部分

1.1 粒径实验样品

图1 污泥干化实验平台

本实验样品取自污泥干化实验平台，如图1所示。其通过改变污泥进料机及桨叶主轴频率控制污泥的干燥时间，间接影响出口污泥的含水率、污泥粒径等，因此选取5/5、5/25、5/45、25/5、25/25、25/45、45/5、45/25、45/45(污泥进料机频率Hz/桨叶主轴频率Hz)参数下的9组出口污泥样品，如表1所示。另外取旋风分离器底部出口样品、干燥机进口污泥样品及该电厂煤粉，污泥及煤粉的元素分析及工业分析见表2。

表1 出口污泥干燥时间

表2 煤粉及污泥的工业分析、元素分析、热值

1.2 热重实验样品

由电厂入炉煤质报告可以看出电厂燃煤粒径大于90 的约12%，大于200 的约4%，见表3。再结合该电厂钢球磨煤机的实际情况，确定热重实验样品如下：选取进口污泥及煤粉，将其放入105 ℃干燥箱中恒温干燥24 h，将干燥后的污泥及煤粉在同等条件下碾磨，煤粉用孔径为200 的筛子进行筛分，而污泥用孔径为90、200、300 的筛子联合进行筛分，制成3种粒径不同的污泥样品。在这里，分别用RM200、RW90、RW200、RW300表示粒径小于200 煤粉样品、粒径小于90 的污泥样品、粒径介于90 和200 之间的污泥样品、粒径介于200 和300 之间的污泥样品。

1.3 实验仪器及方法

粒径分析采用英国马尔文仪器公司生产的MAZ3000激光粒度分析仪进行研究；热重实验采用德国耐驰公司生产的NETZSCH STA 409PC综合热分析仪，实验采用40 μL的氧化铝坩埚，试样质量为10±0.5 mg；氧气流量为30 mL/min，氮气流量为70 mL/min；升温速率为40 ℃/min，升温至1 000 ℃，并恒温5 min。综合分析热电厂协同处置污泥实例，将污泥的掺烧比例定为20%。

表3 某电厂入炉煤质分析值报表

注：2015-4-25二次二值，B东/B西(2∶1)自动取样；2014-7-1三值一次，B东/B西(2∶1)自动取样，上煤量2 929.43 t。

2 实验结果及分析

2.1 污泥样品及煤粉的粒径分布

由图2可以看出，进口污泥颗粒粒径明显大于煤粉，因为污泥含水率高且成分复杂，含有有机残片、细菌菌体、胶体等物质，具有一定的粘性，颗粒间相互粘连造成颗粒粒径增大。对比进口污泥与9组不同参数下的出口污泥粒径，可以看出有2组出口污泥样品粒径大于进口污泥，分别为W9(45/45)、W6(25/45)，经现场观察及理论分析可以认为，这两组参数下污泥进料机频率和桨叶主轴频率较高，导致污泥在干燥机内的干燥时间较短，污泥中水分、胶体物质等成分损失较小，粘连现象仍然存在，同时污泥在干燥机内部的前进需要依靠桨叶之间的挤压作用，在挤压力的作用下，污泥的粒径也会相应增大。

通过现场实验，发现污泥在干燥机内部的停留时间主要受进料机和桨叶轴转速的影响，且桨叶轴转速起主要作用，本文中污泥取自同一污水处理厂，其含水率不变，且污泥干燥方式不变，因此污泥出口粒径主要由出口污泥含水率决定，而干燥机出口污泥含水率主要由干燥时间决定，这就把文中的运行参数变化统一到了污泥干燥时间变化，为后续其他污泥干燥机粒径分布提供了基础数据[4]。不同参数下污泥的干燥时间见表2，按照干燥时间由小到大的顺序将11组样品排序，即W9>W6>W3≈W8>W5>W2≈W7>W4>W1，按此顺序的污泥粒径分布如图3所示，总体上呈现出先减小后增大的趋势。含水率分布如图4所示，呈现出逐渐减小趋势。

图2 污泥及煤粉粒径分布图

由图3、图4可以看出，W9、W6、W3处出现明显下降趋势，降幅达到500 左右，之后W3处粒径基本保持不变，可以看出此阶段干燥时间越大污泥粒径越小，说明干燥时间越大，出口污泥含水率约低，导致了污泥粒径随着干燥时间的增大而减小，而且此阶段的干燥时间能保证污泥进行充分的干燥；从W8开始粒径开始增大，一直到W1为止，最后W4和较W1变化不大，后期粒径变化较平稳，但是对比图3和图4，污泥粒径并没有随着污泥含水率的降低而减小，污泥干燥系统处于封闭状态，由于抽风机的作用干燥机内形成负压环境，通过提取旋风分离器底部出口污泥，发现旋风分离器及水膜除尘器能轻易将较小污泥颗粒抽出净化，现场称重不同参数下出口污泥质量也证明了干污泥质量的减少，同时残留的污泥微颗粒出现团聚现象的概率增加，加之污泥成分复杂，过多的干燥时间可能引起污泥颗粒间发生化学反应，所有这些因素最终导致污泥干燥时间越长，污泥粒径反而越大，但是这些影响因素能力有限，随着干燥时间的继续增加，污泥粒径不再变化，趋于平稳，因此干燥时间可以作为一台污泥干燥机出口粒径分布的重要判断依据。

综上所述，可以得出以下结论：(1)影响污泥粒径的因素较多，其中干燥时间对污泥粒径影响较大，其它因素随干燥条件的不同而发挥不同的作用。(2)此污泥干化平台最佳干燥参数在W8和W3处，即45/25 Hz和5/45 Hz。同时需要注意的是，从W8处开始干燥过程中会产生大量粒径较小的污泥颗粒，给除尘设备增加难度，一定要防止产生二次污染。

图3 按干燥时间排序的粒径分布

图4 按干燥时间排序的污泥含水率变化曲线

2.2 粒径对污泥单独焚烧及污染物排放特性的影响

通过图5可以看出，污泥燃烧失重分为三个阶段：第一个失重阶段温度为室温至200 ℃，失重主要由污泥中水分蒸发引起；第二个失重阶段温度为200～700 ℃，由于挥发分析出燃烧及有机物分解导致污泥质量急剧减小，是污泥燃烧过程中最主要的失重阶段；第三个失重阶段温度为750 ℃左右，失重主要由一些沸点较高大分子有机物析出和焦炭燃尽引起。由图5还可以看出，污泥单独焚烧时，随着粒径减小，总失重量稍有增加。其中粒径小于90 的污泥总失重量最大，说明随着粒径减小，相同质量的污泥颗粒表面积增大，其与周围的氧气接触更充分，从而有利于污泥颗粒的燃烧。

结合图6，可看出污泥燃烧过程的第二个失重阶段受粒径影响最为严重。粒径越小，污泥失重峰越窄，最大失重速率越大。说明随着污泥粒径减小，污泥中挥发分越容易析出，且能够与氧气充分接触并剧烈燃烧。

图5 不同粒径污泥的TG曲线

图6 不同粒径污泥的DTG曲线

通过图7和8可得出，随着燃烧污泥粒径减小，燃烧过程中污染气体NOx、SO2的释放温度范围没有明显变化但析出变得更加剧烈。这是因为随着粒径减小，污泥颗粒能够与氧气充分接触，同时也利于氧气从样品外表面扩散到其内部孔隙，从而促进燃烧，也促进了NOx、SO2的生成。另外，可以发现当粒径小于90 时，样品S1的NOx析出剧烈程度反而小于粒径范围在90～200 的污泥颗粒。这可能是由于粒径变得足够小后，燃料中N元素之间的化学作用力增强，NOx析出的剧烈程度反而减小。

图7 不同粒径污泥的NOx的质谱图

对于SO2的析出，粒径减小后，样品颗粒的比表面积增加，能充分同氧气接触，加速反应过程，使大量的有机硫在氧化性的气氛中充分分解，SO2的析出剧烈程度明显增强[5]。

图8 不同粒径污泥的SO2的质谱图

2.3 粒径对污泥掺烧特性的影响

结合图9、10可以看出，掺烧20%污泥后，样品的总失重量减小，最大失重速率对应温度提前，且失重峰变窄，说明掺入污泥后，样品燃烧特性受污泥与煤粉的共同影响。

图9 不同粒径污泥掺烧的TG曲线

图10 不同粒径污泥掺烧的DTG曲线

对比不同粒径污泥掺烧的失重曲线(TG)，随着粒径的减小，样品总失重量稍有减小，甚至RW200和RW90失重曲线几乎重合，说明污泥粒径小于200 时，在掺烧比例20%的情况下，污泥已能完全燃烧，如果继续减小污泥粒径，也不会有明显的失重变化。污泥掺烧失重速率曲线(DTG)变化情况与不同粒径污泥单独焚烧时表现一致，粒径越小，样品最大失重速率越大，其对应温度越小，但是相对于煤粉来说改变幅度较小，因为污泥掺烧比例仅为20%，样品的主要燃烧特性仍然趋近于煤粉。

2.4 粒径对着火特性的影响

本文选取着火温度Ti、最大燃烧速率对应温度Tp、燃尽温度Th作为特征参数反应着火特性。其中Ti和Th采用TG-DTG切线法来确定[4]，即过DTG 曲线峰值作垂线与TG 曲线相交，过交点作TG 曲线的切线，该切线与失重开始平行线的交点所对应的温度定义为着火温度Ti，与失重结束平行线的交点所对应的温度即为燃尽温度Th；Tp直接由图6和图10中的DTG曲线读取。

通过表4对比污泥单独焚烧时(RW90、RW200、RW300)着火特性参数变化情况，可以看出随着粒径减小，污泥颗粒的着火温度、极值温度、燃尽温度都发生了不同程度的提前，说明随着粒径的减小，污泥颗粒能在较短的时间内着火和燃尽，加快了燃烧反应速度，有利于污泥的燃烧过程。这也对应说明了粒径减小使得污泥颗粒的反应表面积增加，氧气能迅速由外向内扩散，促进了燃烧过程的热量传递。

表4 污泥粒径对着火特性的影响

对比掺烧后样品着火特性参数的变化，发现随着粒径的减小，着火温度无明显变化，而极值温度与燃尽温度逐渐减小，且减小幅度变大。说明粒径的减小对着火温度的影响较小，而对燃尽温度和极值温度影响较大，这是因为在着火阶段，温度较低，反应速度慢，对氧气的需求并不高，因此反应表面积并没有发挥太大的作用，导致粒径对着火温度影响较小；随着燃烧过程的加快，污泥反应表面积发挥的作用越来越大，导致最大燃烧速率温度提前；而燃尽阶段，温度高，反应速度快，氧气需求量大，反应表面积充分发挥了作用，因此粒径小的污泥颗粒燃尽温度低。同时可以看出污泥粒径越小，其对量、最大失重速率等影响有限，但是却能显著缩短反应时间，加快反应进程，在相同时间内释放更多的热量。再与RM200对比，发现掺烧污泥后样品着火特性参数温度全部提前，且变化明显，极值温度变化幅度高达50 ℃，说明掺烧20%污泥会对煤粉的燃烧特性产生一定影响，这一点应在污泥掺烧过程中得到重视。

2.5 粒径对综合燃烧特性的影响

综合燃烧特性指数S全面反映了试样的着火和燃尽性能，S越大说明燃料的综合燃烧性能越好，因此本文采用综合燃烧特性指数S来研究样品的综合燃烧性能[7-10]：

(1)

式中：(dw/dt)max为最大燃烧速率，%/min；(dw/dt)mean为平均燃烧速率，%/min；Ti为着火温度，℃；Th为燃尽温度，℃。

从表5可见，污泥的综合燃烧特性指数S随着污泥粒径的减小而增大，表明减小粒径可以有效地提高污泥的综合燃烧特性指数[11-12]。

从表5可见，煤粉掺烧污泥后综合燃烧特性指数S增大，表明掺入污泥对煤粉综合燃烧性能有利，同时还可以看出，随着掺入污泥粒径的减小，样品的综合燃烧特性指数S增大，与污泥单独燃烧时规律一致[13-14]。

以上结论与上文粒径对着火特性的影响结论一致，说明本文所做实验及计算结果均较为准确，同时说明污泥的掺入确实能改善煤粉的综合燃烧性能，这一结果与主观想象存在差别，因此此结论对火电厂掺烧污泥具有指导意义。

表5 样品的综合燃烧特性参数

3 结论

(1)影响污泥粒径的因素较多，其中干燥时间对污泥粒径影响较大，其它因素随干燥条件的不同而发挥不同的作用。

(2)本文中的污泥干化平台最佳干燥参数在W8和W3处，即45/25 Hz和5/45 Hz。

(3)污泥单独焚烧时，随着粒径减小，总失重量稍有增加，且对污泥燃烧过程的第二个失重阶段受粒径影响最为严重；同时污泥颗粒能在较短的时间内着火和燃尽，综合燃烧性能得到改善。

(4)20%污泥掺混煤粉燃烧时，样品燃烧特性受污泥与煤粉的共同影响，其TG/DTG曲线与污泥单独焚烧时表现一致；同时掺入污泥后，能显著缩短反应时间，加快反应进程，综合燃烧性能得到加强，对火电厂掺烧污泥具有指导意义。

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Particle Size Distribution of Sludge Drying Platform Product and Thermogravimetric Experimental Study

FANG Lijun，LIU Yudong，BIAN Yan, YANG Yali

(College of Energy Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University,Baoding 071003,China )

The sludge particle size has great influence on the sludge and coal blending burning.Therefore, the outlet sludge is selected under different parameters in the sludge drying experiment platform of a power plant, and the particle size range is determined by MAZ3000 laser particle size analyzer and NETZSCH STA 409PC integrated thermal analyzer. Then, the TGA experiments are carried out with different particle sizes of sludge and coal mixed. The results show that there are many factors that affect the sludge particle size, among which the drying time has a greater impact. The optimal drying parameters of sludge drying platform is 45Hz/25Hz and 5Hz/45Hz. when blended 20% sludge, the combustion characteristics of samples is affected by coal and sludge, and its TG / DTG curves and sludge incineration are consistent with those of sludge burning alone. After the incorporation of the sludge, the reaction time is significantly shortened, and the progress of the reaction is accelerated, hence the comprehensive combustion performance is enhanced. This research is of great significance for thermal power plants co-firing sewage sludge, and provides some theory and data support for the co-disposal of the sludge in the thermal power plant.

sludge drying platform; particle size; thermogravimetric experimental study; blending; combustion characteristics

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2017.03.011

2016-07-14。

TK16

A

1672-0792(2017)03-0061-07

方立军(1971-)，男，副教授，研究方向为洁净煤技术和大气污染物控制。