城市污泥与稻草混合燃烧污染物排放特性研究

陶志伟 邢献军

摘要：指出了混燃是处理城市污泥最具前景的处理方法之一，利用管式炉燃烧系统研究城市污泥、稻草以及两者不同掺混比（10%、30%、50%、70%、90%）的污染物排放特性，并对比分析了其在不同温度下（600 ℃、700 ℃、800 ℃、900 ℃）的污染物排放特性。结果表明：混合样品在800 ℃的燃烧过程中CO、SO2释放曲线均呈现单峰结构。随着稻草掺混比例的增加，燃烧过程缩短，CO的生成总量逐渐减小，SO2的生成总量逐渐增大;在不同温度下，700 ℃下混合样品的CO的总生成量最低，升高温度不利于SO2排放。研究结果可为城市污泥和稻草混燃的污染物排放提供初步理论依据。

关键词：城市污泥;稻草;污染物;排放特性

中图分类号：TK6

文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2020）14-0093-04

1 引言

近几年来中国的发展速度相当之快，城镇化规模也在不断增大，然而伴随着快速发展的同时对环境也造成了不小影响，尤其是在固体废物燃烧方面，排放的烟气对大气带来了不可忽视的污染。城市污泥作为固体废物中的一种，其单独燃烧具有燃烧不充分、污染物排放大等缺点，而城市污泥与生物质混合燃烧不仅可以提高生物质的利用率，还可以大大提高污泥的燃烧效率，降低烟气对环境造成的危害。Aneta等[1]指出生物质和污泥共燃是一种很有前途的废弃物处理方法。张海瑞[2]等利用管式炉研究了秸秆与皮革污泥的燃烧特性，研究表明秸秆与皮革污泥在一定掺混比例下可以减少NO排放量。肖志华[3]等发现污泥和木屑混合燃烧在一定程度上可以降低CO的生成。目前已有一些学者对城市污泥与生物质的混燃作出了研究，但是对城市污泥与稻草的混合燃烧却鲜有报道。故本文通过自主搭建管式炉实验平台，以城市污泥与稻草为研究对象，分析在不同温度、不同掺混比例下混合物燃烧过程中CO和SO2的气体排放特性的影响规律，为工业生产中污染物排放提供理论参考依据。

2 实验部分

2.1 实验材料

实验材料料城市污泥和稻草分别选自合肥朱砖井污水处理厂和合肥肥东米厂。样品采集后置于105 ℃烘箱内12h。干燥样品于粉碎机内粉碎后，过80目筛和180目筛，取筛间的样品，密封于取样袋中，置于干燥皿中备用，标记为US（Urban Sludge）和RS（Rice Straw）。

2.2 样品分析方法

表1给出了污泥和稻草的工业分析、元素分析以及热值分析。

2.3 实验仪器及方法

管式炉燃烧系统分为3个部分：供气部分：流量计和气体罐;炉体部分：管式炉，数据采集装置：烟枪、烟气分析仪和数据采集仪。烟气分析仪分析不同时刻各种反应气体的浓度，然后将数据传输到数据采集仪。所有试验都重复两次进行，具体的操作步骤如下。

（1）先通过利用分析天平用称量纸称量样品200±0.1 mg，使其均匀铺布在方形瓷舟内。

（2）在管式炉上添加加热程序，当管式炉的炉内温度上升到即定的温度时，立刻向管式炉中通入900 s空气，气体流速为1 L/min。

（3）通过送样杆将装有燃料的方形瓷舟迅速推至管式炉中心恒温区间，利用烟气分析实时监测炉内的烟气浓度，采样的时间间隔设置为1 s。

（4）当试验过程到达设定时间后，取出烟枪和瓷舟并将烟气分析仪数据导入数据采集仪。

2.4 实验数据处理

为了更好地阐述烟气排放试验的实验结果，本文引入了以下参数。

（1）峰值：实验中排放的气体浓度所达到的最大值，10-6。

（2）峰现时间：气体浓度达到峰值时所对应的燃烧时间，s。

（3）燃尽时间，约定取CO/SO2浓度降为峰值5%所耗的时间为燃烬时间，s。

本实验主要对CO和SO2的排放进行测量，通过对排放气体体积分数曲线积分得到气体测定时间内的排放总生成量[4]：

式（1）中：m为烟气中CO或者SO2气体生成质量，mg;t0为实验起始时刻，s;t为实验过程中任一时刻，s;C（t）为t时刻烟气中气体的体积分数，10-6;V（t）为t时刻烟气流量，L/min;Mg为气体的摩尔质量，g/mol。

3 结果与讨论

3.1 掺混比对样品燃烧CO和SO2排放特性研究

该试验以城市污泥和稻草为研究对象，工况条件为：燃烧温度800 ℃、进气流量为1 L/min，在此条件下进行燃烧，掺混比例分别设置为100∶0、90∶10、70∶30、50∶50、30∶70、10∶90、0∶100，对着7种样品的CO和SO2排放特性进行研究。

3.1.1 不同掺混比下样品燃烧CO排放特性

排放的烟气中CO的浓度变化可以很直观的反映样品的具体燃烧情况，也可以清楚的判断挥发分析出和燃烧过程及其燃烧产物的相互影响关系[5]。

图1给出了不同掺混比下烟气中CO随时间的变化规律，可以发现各掺混比下的CO均呈现单峰分布，且伴随着稻草RS在混合样品中的比例增加时，CO的峰值逐渐减小，到达峰值的时间也在不断缩小，CO峰后释放逐渐加快，燃料样品的燃尽时间不断提前。由表1工业分析可以看出，US和RS中的挥发分含量较高，固定碳含量较低，而前期的CO的释放主要來自样品燃烧析出的挥发分燃烧，而后期CO主要是由挥发分和固定碳燃烧共同释放，当把混合样品突然放置在800 ℃的恒温条件下时，挥发分和固定碳的燃烧过程会产生重叠[6]，因而CO的释放均呈现单峰分布。当掺混样品中RS的所占比例越高时，燃烧更加充分，CO的排放浓度将更低。这主要是由于稻草中挥发分含量比污泥中的挥发分含量要高，在通气流量为1 L/min、燃烧温度为800 ℃的条件下，由于氧气的含量较为充分，挥发分燃烧比较完全，所以当稻草的所占比例逐步增大时，CO的浓度降低，混合样品的燃烧过程逐渐缩短。结合图2可见，CO的生成总量的大小顺序为：US>90U10R>70U30R>50U50R>30U70R>10U90R>RS，也可以表明掺混RS的量增加时，可以明显降低CO的排放。

3.1.2 不同掺混比下样品燃烧SO2排放特性

图3给出不同掺混比下烟气中SO2随时间的变化规律，各掺混比下SO2的释放曲线均呈现单峰结构（US为双峰结构），都在燃烧不久后出现了SO2析出第一峰，随着稻草在混合样品中的占比逐渐增大时，析出峰的峰值逐渐减小，峰宽逐渐变宽，到达峰值的时间逐渐提前，燃尽时间缩短。由表1中的元素分析可知，US中的S的含量要小于污泥中S的含量，故随着稻草的掺混比例逐渐增大时，混合样品中S的含量逐渐降低，因而SO2不断减小，尹娜等[7]在研究煤与污泥混烧中污泥的百分含量对SO2排放的影响，也得到了类似的结论。结合图4可见，SO2的生成总量随着稻草掺混比例的增加而逐渐减小，故表明污泥中掺混RS可以明显降低SO2的排放。

3.2 不同温度对样品燃烧CO和SO2排放特性研究

该实验以城市污泥和稻草为研究对象，掺混比例为：5∶5，即50U50R，研究在四种不同燃烧温度600 ℃、700 ℃、800 ℃和900 ℃下的CO和SO2排放特性。

3.2.1 不同温度对样品燃烧CO排放特性研究

由图5可以发现样品50U50R在600 ℃和700 ℃的燃烧条件下，CO的排放曲线均呈现双峰结构，而在800 ℃和900 ℃的燃烧条件下，CO的排放曲线均呈现单峰结构;随着温度不断上升，CO释放的时间提前，燃尽时间大大缩短。另外结合图6可知，样品50R50U在不同温度下燃烧CO排放量差异显著。CO排放的大小顺序为：700 ℃<800 ℃<900 ℃<600 ℃，当燃烧温度为700 ℃，CO的排放量达到最低，这主要是因为CO的排放量是由燃烧速率和热解速率共同决定的，且温度给两者带来不同程度的影响变化[8]。当燃烧温度为600 ℃时，混合样品（50U50R）已经达到相当高，而燃烧速率受温度的增大而不断升高;所以当温度到达700 ℃时，燃烧速率高于热解速率，这时管式炉中热解出来的挥发分有足够的时间和炉内的氧气充分混合，从而使得炉内燃烧相对完全，故而CO的排放浓度显著下降;此外混合样品经破碎过筛之后粒径较小，比表面积较大，当CO挥发分析出不是非常多的情况下，燃烧化学反应速率起主导作用，当温度升高引起燃烧反应速率升高，燃烧反应更加剧烈，CO的排放量和浓度均减小。当燃烧温度大于700 ℃时，这时可燃气体和氧气混合程度决定了燃烧反应速率，所以当温度升高使得炉内的挥发分析出速度瞬间加快，氧气消耗量锐减，从而导致挥发分和炉内氧气混合没能充分混合，因而使得CO的排放量和浓度增大。

3.2.2 不同温度对样品燃烧SO2排放特性研究

从图7中可以发现，城市污泥和稻草等量混合在不同温度下的燃烧的释放曲线均呈现单峰结构。随着温度的升高，SO2的体积分数不断增大，峰现时间提前，燃烧过程缩短。这主要是由S的释放在不同温度下有着非常明显的差异。温度不仅对城市污泥和稻草燃烧的SO2生成量和生成速率产生影响，而且对S的释放时间也起着一定的作用[9]。在城市污泥与稻草的混烧过程中，由于有机硫中的侧链硫（-SH）和环硫链（-S-）结合较弱，需要达到一定的温度后才会破裂形成最早的挥发分硫，故当温度较低时，SO2的生成量相对较少。当温度不断升高时，有机硫中较为稳定的噻吩硫和无机硫开始在高温下分解，从而使得SO2排放量继续增大[10]。同时，温度升高还会提高混合样品的燃烧速率和综合燃烧特性，促使SO2排放量不断增大。此外如果温度继续上升，从而使得管式炉内的烟灰氧化或者分解，使得SO2排放量继续上升[11]。结合图8可知，燃烧过程中SO2的生成总量大小顺序为：600 ℃<700 ℃<800 ℃<900 ℃，故升高溫度不利于降低SO2的排放量。

4.5 小结

本文将城市污泥和稻草作为研究对象，对不同温度和不同掺混下样品燃烧的污染物排放特性进行研究，探讨不同温度和不同掺混比例对样品燃烧气体产物CO和SO2排放特性产生的影响，得到以下结论。

（1）在800 ℃的条件下，混合样品的燃烧过程CO的释放曲线均呈现单峰状态，随着混合样品中RS含量的增加，CO析出峰的峰值逐渐减小，峰宽逐渐变窄，峰值出现时间和混合样品燃尽时间提前，燃烧过程中CO的总生成量逐渐降低。

（2）混合样品的燃烧过程SO2的释放曲线均呈现单峰状态（US呈现双峰结构），SO2析出峰的峰值随着稻草含量的增加逐渐减小，峰宽逐渐变宽，峰值出现时间提前，燃烧过程缩短，燃烧过程中SO2的总生成量逐渐降低。

（3）混合试样（50U50R）在600 ℃和700 ℃下CO的排放曲线呈现出双峰结构，而在800 ℃和900 ℃下CO释放曲线呈现出单峰结构，当温度低于700 ℃时，随着温度升高，CO的生成总量下降，高于700 ℃时，CO生成总量随之上升，700 ℃时CO总生成量达到最低。

（4）混合试样在不同温度下SO2的释放曲线均呈现单峰结构，SO2的体积分数随着温度的升高不断增大，峰值出现时间提前，燃尽时间缩短，SO2总生成量增大，表明温度升高不利于SO2的排放量。

参考文献：

[1]Magdziarz A， Wilk M. Thermal characteristics of the combustion process of biomass and sewage sludge[J]. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry， 2013， 114（2）：519～529.

[2]肖志华. 污泥与木屑混合成型燃料燃烧的二次污染物排放规律[D]. 长沙：湖南大学，2016.

[3]张海瑞. 秸秆与皮革污泥混合成型燃料燃烧特性研究[D].济南：山东大学，2016.

[4]李 戈，池作和，斯东坡，等. 生物质废弃物再燃降低NOx排放实验研究[J].热力发电，2004，33（2）：41～44.

[5]陈国华，李运泉，彭浩斌，等. 大颗粒木质成型燃料燃烧过程烟气排放特性[J].农业工程学报，2015，31（7）：215～220.

[6]魏 刚，樊孝华，王毅斌，等. 生物质混燃与空气分级对NOx排放的影响[J]. 热力发电，2015，44（5）：7～11.

[7]尹 娜，可 欣，魏烁宏，等. 超细污泥与煤粉混燃机理及污染排放特性研究[D].沈阳：沈阳航空工业学院，2010.

[8]邢献军，李永玲，张 静，等. 生活垃圾混烧秸秆类生物质颗粒CO和NO的排放特性[J].农业工程学报，2017，32（8）：284～287.

[9]毕三宝，程世庆，等. O2/CO2气氛下污泥混煤燃烧特性及常规污染物排放特性研究[D].济南：山东大学，2018.

[10]毛健雄，毛健全，赵树民，等. 煤的清洁燃烧[M].北京：科学出版社，1998.

[11]罗金平. 钙基固硫过程中无机矿物转化及可资源化矿物形成[D].武汉：武汉理工大学，2004.