造紙污泥與粉煤混燃的燃燒特性研究

張 凝 劉敬勇 周劍波 魏培濤 羅海健

（1.廣東誠亞節(jié)能科技有限公司，廣東 廣州 510300；2.廣東工業(yè)大學(xué)，廣東 廣州 510006）

0 引言

造紙污泥是一種成分復(fù)雜的廢棄物，主要包括不溶性纖維素以及填料、凝聚劑等，含水率高（60%以上）、成分復(fù)雜且處理利用難度大[1]。與其他廢物的處理一樣，減量化、無害化、資源化是造紙污泥處理的發(fā)展趨勢(shì)，以往采用的海洋傾倒和衛(wèi)生填埋都會(huì)對(duì)環(huán)境造成巨大污染[2]，焚燒法正是順應(yīng)這種趨勢(shì)而產(chǎn)生的有前途的污泥處理方法。

本文以廣東某造紙廠經(jīng)過帶式壓濾機(jī)脫水后的污泥為研究對(duì)象，采用綜合熱重分析儀對(duì)其燃燒特性進(jìn)行了研究，考察了與粉煤不同的混合比例條件下的失重特征，以期為造紙污泥摻混粉煤燃燒、焚燒設(shè)備的運(yùn)行及燃燒參數(shù)的確定提供指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試樣

污泥采自廣東某造紙廠的脫水車間，將污泥自然干燥14d，研磨后過80 目篩。煤樣為廣東某煤場煙煤，煤樣為空氣干燥基，研磨后過80 目篩。實(shí)驗(yàn)試樣為污泥、煤粉及4 種不同比例的混合試樣，混合試樣中粉煤質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為10%、20%、30%和40%。污泥和粉煤的元素分析和工業(yè)分析如表1 所示，造紙污泥具有高揮發(fā)分、低固定碳和低熱值的特點(diǎn)，而粉煤具有高固定碳、高熱值和低揮發(fā)分的特點(diǎn)。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置和條件

采用德國耐馳公司綜合熱分析儀（STA409PC），可獲得試樣的熱重曲線（TG）、微商熱重曲線（DTG）。主要技術(shù)數(shù)據(jù)如下：熱天平精度1μg；最大試樣量1000mg；溫度范圍室溫～1400℃；實(shí)驗(yàn)氣氛為空氣、氮?dú)猓簧郎厮俾史秶?.1～30K/min。樣品粒度小于80 目，按要求均勻混合后取樣；升溫速率20K/min；試樣質(zhì)量9mg 左右；實(shí)驗(yàn)氛圍空氣，流量為50mL/min。

表1 各試樣的元素分析和工業(yè)分析及發(fā)熱量

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 造紙污泥及煤燃燒熱重曲線

圖1 造紙污泥及煤燃燒TG 曲線

圖2 造紙污泥及煤燃燒DTG 曲線

圖3 泥煤混合試樣燃燒TG 曲線

圖4 泥煤混合試樣燃燒DTG 曲線

表2 試樣燃燒時(shí)各失重階段的溫度區(qū)間和失重率

從造紙污泥在不同升溫速率條件下TG 和DTG 曲線（圖1 和圖2）可以發(fā)現(xiàn)，污泥燃燒過程中可分為3 個(gè)階段，各階段的溫度區(qū)間及失重率見表2，溫度區(qū)間的分界點(diǎn)取DTG 曲線上兩區(qū)間相鄰處的極小值點(diǎn)[3]。由于采用風(fēng)干后的污泥樣品，所以圖2 顯示的第1 個(gè)失重峰較小，此階段為脫水階段。失重主要是由于污泥中自由水和化學(xué)結(jié)合水析出[4]，水分蒸發(fā)吸收汽化潛熱，表現(xiàn)在DTG 曲線上有一個(gè)吸熱峰。第2 階段是揮發(fā)分的析出和燃燒，此階段DTG 曲線首先有一個(gè)明顯的失重峰，并在其后有一個(gè)側(cè)峰，其原因應(yīng)該是污泥所含揮發(fā)分的成分比較復(fù)雜，各成分的化學(xué)鍵強(qiáng)弱不一造成的[5]。此階段失重率在43.5%左右，可能是由于半揮發(fā)性組分混合物，或者是存在于細(xì)胞中和污泥穩(wěn)定化處理過程中形成的有機(jī)聚合體等含碳化合物的C—C 鍵斷裂，產(chǎn)生CO2、CO 和部分水蒸氣造成的[6]。第3 階段有一個(gè)明顯的失重峰，此階段應(yīng)該是污泥中少量固定碳的燃燒過程，主要是污泥中高沸點(diǎn)有機(jī)物被分解，比如纖維素等難降解物質(zhì)的燃燒，這與污泥的成分有較大的關(guān)聯(lián)。煤的TG 和DTG 曲線明顯不同于污泥，其燃燒過程可分為兩個(gè)階段，即揮發(fā)分析出階段和固定碳燃燒階段。煤在固定碳燃燒階段表現(xiàn)為一個(gè)較寬的失重峰，該階段失重率為80.77%，這說明固態(tài)炭的燃燒在煤的燃燒中起著主要作用。

3 結(jié)論

造紙污泥燃燒過程存在3 個(gè)明顯的失重區(qū)域，其中前兩個(gè)為揮發(fā)分析出階段，最后一個(gè)為固定碳燃燒階段，且揮發(fā)分析出控制整個(gè)污泥的燃燒過程。

［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.

［2］Werthcr J，Ogada T.Sewage sludge Combustion[J].Progress in Energy and Combustion Science，1999，25：55－116.

［3］劉乃安.生物質(zhì)材料熱解失重動(dòng)力學(xué)及其分析方法研究[D].合肥：中國科技大學(xué)，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.