广州城市污泥燃烧性能综合评价及其燃烧动力学模型
摘要：采集了广州5种不同来源城市污泥(分别为KFQ、DTS、LJ、LD和ZZ)及肇庆市1种污水污泥(ZQ),利用热重法对6种干污泥的单一样及两种干污泥的混合样在不同条件下进行了热重实验研究,并通过TG-DTG曲线计算了污泥燃烧的4个综合燃烧指数. 研究发现,广州当前城市污泥具有高挥发分、低固定碳和低热值的特点.整个污泥燃烧可以分为水分析出、挥发分析出、挥发分燃烧和焦炭燃烧4个阶段,并且不同来源污泥这4个燃烧阶段差别较大,其中,挥发分的析出和燃烧制约着污泥的整个燃烧过程. 不同来源污泥的燃烧性能与污水处理厂水处理工艺、污泥种类及其理化性质有关.从挥发分释放特性指数D、可燃性指数C、综合燃烧特性指数S来看,6种污泥中,LJ污泥燃烧性能最好,而LD污泥的燃烧性能最差. KFQ与ZZ污泥混合后,除D指数外,其他指数都变小,而升温速率过快,并不能显著提高污泥的综合燃烧性能。采用积分法(Coats-Redfern方程)计算得到各燃烧阶段的反应的机理方程及相应的活化能参数,发现活化能大小与污泥的燃烧阶段是相对应的。
关键词：城市污泥 热重分析 动力学模型 燃烧特性 综合评价
1 引言(Introduction)
城市污水污泥是指城市污水处理厂在处理污水后残留的污泥,据统计,中国每年产生污泥量约为420 万t,折合含水80%的脱水污泥约为2100 万t(赵庆祥, 2002). 污水污泥中一般都含有大量的病原菌、寄生虫、致病微生物及难分解的有机毒物,这些污泥如不经过处理,任意堆放或排除,将会污染水体、土壤和大气,造成生态破坏. 污泥处理措施一般分为用作农肥、填埋、焚烧和热解等方法(郭瑞等,2011),其中,焚烧法因具有减容化、无害化、快速化、便利化、能源化、多用性等优点而得到较大程度的应用。
针对污泥焚烧处理,国内外很多学者采用热重分析法对不同来源、不同混合比污泥及其与生物质混合燃烧行为进行了研究( 刘亮等,2006; Xiaoet al. , 2009; Sang et al. , 2011;李洋洋等,2011),以期了解其燃烧机理和特性,并采用多种评价参数对污泥燃烧特性进行了综合评价(王裕明等,2007;冉景煜等,2008). Font 等(2001)指出,具有不同理化性质的污泥其燃烧热重曲线差异较大. 温俊明等(2004)从污泥的热重分析曲线出发,得出了由3 个独立的、连续的平行反应组成的动力学模型. 万嘉瑜等(2010)通过热重分析研究了污泥在不同氧体积浓度下的燃烧动力学特性. 沈伯雄等(2005)研究发现,不同金属催化剂对垃圾燃烧着火及燃尽性能有一定的催化作用. 刘敬勇等(2009a)研究了不同金属化合物对工业污泥的助燃作用. 目前,研究污泥燃烧机理和特性常用的方法是将污泥热分解和燃烧直接假定为简单反应,如一级反应,通过预先设定反应机理模型进行数值拟合,或者对高低温分别进行拟合。 事实上,污水污泥的热解、燃烧过程中,灰分、挥发分的成分都比较复杂. 挥发分的析出、氧气的扩散、化学反应速率随温度的变化,在其燃烧过程不断从动力区向扩散区进行转换;而且,氧气向内部扩散与产物气体向外扩散又相互阻碍,因此,简单的假设往往掩盖了反应过程的复杂性和机理. 另外,通过对我国111 个城市共193 个污水处理厂污泥成分的最新统计表明(马学文等,2011),2003—2008 年5 年间,污泥中含有的重金属及有机质都发生了变化,呈现南方污泥中的重金属(Zn、Cu、Cd、Cr、Ni)、N、P 高于北方污泥的特点, 并且预计到2020年,广州市中心城区污水量将达4. 30 ×106 m·3 d-1(陈贻龙等,2007). 按污泥产生量是污水量的0. 3% ~0. 5%计算,届时污泥产量将达1. 29 ×104 ~2. 15 ×104 t·d-1 (以含水率98% 计)。因此,迫切需要对广州当前城市污泥燃烧特性进行全面评价并建立起燃烧模型。
因此,本文对广州市具有代表性的4 个大型污水处理厂脱水污泥、1 个造纸厂污泥及广州市周边经济欠发达地区肇庆市某污水处理厂脱水污泥进行系统取样,通过热重实验,计算得出污泥4 类燃烧指数,全面评价广州当前城市污泥的燃烧性能. 同时,借鉴煤燃烧机理,通过假设不同的反应机理,采用Coats-Redfem 积分法进行拟合推断,识别不同转化率区间可能存在的反应机理,以期为污泥焚烧设备的优化设计、运行及燃烧工况的组织等提供理论参考。
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