關(guān)于污泥生物質(zhì)衍生固體燃料燃燒特性研究

于芳芳

(惠州市惠城區(qū)環(huán)境技術(shù)中心，廣東 惠州　516003)

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關(guān)于污泥生物質(zhì)衍生固體燃料燃燒特性研究

于芳芳

(惠州市惠城區(qū)環(huán)境技術(shù)中心，廣東 惠州516003)

【摘要】為實(shí)現(xiàn)污泥減量化、無(wú)害化和資源化處置，在污泥中添加稻桿等合成固體燃料，利用熱分析技術(shù)對(duì)污泥衍生燃料及其主要原料的燃燒特性進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明：污泥衍生燃料燃點(diǎn)低，有一定的燃燒熱值，燃燒性能較好；當(dāng)溫度在700℃左右時(shí)，污泥衍生燃料中的可燃質(zhì)已基本消耗，發(fā)熱量相當(dāng)于0.48kg左右的標(biāo)準(zhǔn)煤；灰分的主要成分為CaO、Fe2O3、Al2O3、MgO等難溶解的穩(wěn)定金屬氧化物；污泥衍生燃料的熱能利用價(jià)值較高，且制備成本較低，符合當(dāng)前污泥處理處置的發(fā)展趨勢(shì)。

【關(guān)鍵詞】污泥處置；稻桿；衍生燃料；燃燒特性

近年來(lái)，我國(guó)城市化程度進(jìn)一步提高，城市污水處理廠污泥的產(chǎn)量也逐年增加。污泥含水率高、體積大、容易腐化發(fā)臭且含有重金屬、鹽類、致病菌和寄生蟲(chóng)等有害成分，如果處理不當(dāng)會(huì)引起嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題[1]。目前，我國(guó)污泥無(wú)害化處置率較低，一般是經(jīng)過(guò)脫水后直接運(yùn)往垃圾場(chǎng)填埋，容易造成二次污染[2]。因此，污泥合理、有效的處理處置已成為當(dāng)前迫切需要解決的問(wèn)題。

將污泥與其他可燃物混合改善污泥的燃燒特性，可以實(shí)現(xiàn)污泥的減量化、無(wú)害化和資源化，國(guó)內(nèi)外部分學(xué)者在這方面做了相關(guān)的研究。Skodras等[3]對(duì)污泥混燃中有害物質(zhì)的生成情況進(jìn)行了研究，熊孟清等[4]對(duì)城市污泥與煤在工業(yè)鍋爐內(nèi)的混燒進(jìn)行了研究，侯海盟等[5]對(duì)城市污泥與煤或玉米稈混燒特性及動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了研究，汪克春等[6]對(duì)污泥與垃圾混燒進(jìn)行了研究。本文通過(guò)對(duì)在污泥中添加稻桿制備的污泥生物質(zhì)衍生固體燃料燃燒特性的研究，為污泥的最終處置尋求一條合理的途徑，在降低環(huán)境污染的同時(shí)實(shí)現(xiàn)資源的回收利用。

1材料與方法

1.1實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)研究的污泥生物質(zhì)衍生固體燃料以污泥為主要成分，稻稈等為輔料合成。其中污泥選用廣東某城市污水處理廠脫水污泥，含水率約80%；稻稈經(jīng)干燥磨粉預(yù)處理后過(guò)80目篩。以CaO為固硫劑，鈣硫摩爾比取2[7]。污泥、稻桿和污泥生物質(zhì)衍生燃料的工業(yè)分析、元素分析如表1所示。

1.2測(cè)試方法

工業(yè)分析采用熱解質(zhì)量法，用箱式電阻爐、電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱、電子天平進(jìn)行測(cè)定；發(fā)熱量采用高精度萬(wàn)能自動(dòng)量熱儀測(cè)定，熱容量12500～14000J/℃；熱重分析采用熱重分析儀測(cè)定，溫度為10～1000℃，冷卻時(shí)間為10min(1000～100℃)，升溫與降溫速率為0～100k/min。

表1　實(shí)驗(yàn)材料的工業(yè)分析和元素分析

1.3特征參數(shù)

為全面評(píng)價(jià)試樣的燃燒性能，采用熱重曲線(TG)、微分熱重曲線(DTG)、揮發(fā)分初析溫度(Ts)、著火點(diǎn)溫度(Ti)、燃盡溫度(Th)、最大燃燒速率((dW/dt)max)、灰熔點(diǎn)等特征參數(shù)來(lái)描述試樣的燃燒性能。

2污泥衍生燃料制備

污泥衍生燃料的制作流程如圖1所示。將采回的脫水污泥稀釋至含水率約96%，經(jīng)化學(xué)調(diào)理后，由隔膜泵泵入壓濾機(jī)中進(jìn)行過(guò)濾(壓力為0.6MPa)和二次壓榨(壓力為1.5MPa)。在壓榨破碎后的污泥(含水率約60%)中添加20%的稻桿(以干污泥g/g計(jì))并干燥至含水率在35%左右，最后進(jìn)入造粒設(shè)備進(jìn)行造粒，成型的固體顆粒(直徑6mm、長(zhǎng)1.5～2cm圓柱形)經(jīng)自然晾干或低溫干燥即得到污泥衍生燃料。

圖1　工藝流程圖

3數(shù)據(jù)與討論

3.1污泥衍生燃料TG和DTG分析

從污泥、稻桿和污泥衍生燃料的TG、DTG曲線中可以看出，污泥和稻桿的失重過(guò)程明顯不同(如圖2所示)。污泥比較明顯的失重分為4個(gè)階段，主要是污泥中水分析出階段、易揮發(fā)和相對(duì)難揮發(fā)部分析出和燃燒階段、污泥中比較牢固、穩(wěn)定的化合物燃燒階段；稻桿比較明顯的失重主要有揮發(fā)分的析出和燃燒2個(gè)階段。這主要是因?yàn)槲勰嘌苌剂现形勰嗪枯^高，其燃燒過(guò)程與污泥相似，但稻桿的摻入使衍生燃料的整體燃燒速率增大，燃燒性能增加。

圖2　燃燒特性曲線

為研究污泥衍生燃料燃燒過(guò)程中失重率隨溫度的變化規(guī)律，對(duì)熱重實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，結(jié)果如圖3所示。從圖中可以看出，當(dāng)燃燒溫度在 700℃左右時(shí)，污泥衍生燃料的可燃質(zhì)已基本消耗，失重率達(dá)到95%。

圖3　污泥衍生燃料的失重率曲線

3.2污泥衍生燃料著火特性分析

燃燒反應(yīng)初期反應(yīng)進(jìn)行的難易程度與著火點(diǎn)溫度Ti和最大燃燒速率(dW/dt)max有關(guān)。Ti越低，(dW/dt)max越大，樣品越容易點(diǎn)燃。揮發(fā)分初析溫度Ts可以從TG和DTG曲線上讀出，著火點(diǎn)溫度Ti、燃盡溫度Th、(dW/dt)max及其對(duì)應(yīng)的溫度Tmax等參數(shù)可以通過(guò)對(duì)TG和DTG曲線中數(shù)據(jù)的分析整理中得出。污泥衍生燃料及其主要原料的綜合燃燒特性參數(shù)如表2所示。

表2　實(shí)驗(yàn)材料的綜合燃燒特性參數(shù)

從表2中可以看出，污泥的著火溫度高于稻稈，污泥衍生燃料的著火溫度介于二者之間，這說(shuō)明添加稻桿可以提高污泥衍生燃料的著火性能。這主要有兩方面的原因，一是稻稈中的有機(jī)物在較低溫度下析出、燃燒促進(jìn)了燃料的著火，二是燃料的孔隙率隨著大量有機(jī)物在低溫區(qū)的釋放有所增加。

3.3污泥衍生燃料灰分組成分析

為研究污泥衍生燃料燃燒后灰分對(duì)環(huán)境的影響，用X射線熒光(XRF)對(duì)其燃燒后的灰分進(jìn)行分析，結(jié)果如表3所示。

表3　灰分的XRF分析結(jié)果

從表3中可以看出，灰分中CaO、Fe2O3、Al2O3、MgO等難溶解的穩(wěn)定金屬氧化物含量較高，而Hg、Pb、Cr、Ni等毒性較大的重金屬基本未檢出，這主要是由于實(shí)驗(yàn)使用的污泥為生活污泥。

3.4污泥衍生燃料灰渣熔融性分析

灰熔點(diǎn)與灰的組分、煙灰濃度和綜合環(huán)境等因素有關(guān)，灰中低熔點(diǎn)的成分愈多，灰的熔點(diǎn)愈低。污泥衍生燃料的灰熔點(diǎn)如表4所示。從表中可以看出，燃料的灰熔點(diǎn)較低，這主要是由于灰中CaO、Fe2O3和MgO等低熔點(diǎn)的堿金屬含量較高。灰熔點(diǎn)低不利于燃料的利用，一是低熔點(diǎn)易使燃料受熱面結(jié)渣從而包裹部分可燃質(zhì)造成燃料利用不充分，還使后續(xù)灰渣處理的負(fù)擔(dān)加重，二是灰渣熔化會(huì)堵塞通風(fēng)孔隙，使燃燒條件惡化。因此，為加強(qiáng)燃料的燃燒，爐膛出口的煙氣溫度應(yīng)控制在比軟化溫度低100℃以上，即控制在1086℃以下。

表4　污泥衍生燃料的灰熔點(diǎn)(℃)

3.5污泥衍生燃料的綜合效益分析

以1噸含水率為80%的污泥為例，對(duì)實(shí)驗(yàn)成本進(jìn)行估算：原料稻稈價(jià)格低廉，成本忽略不計(jì)，實(shí)驗(yàn)藥品費(fèi)用約100元/噸，設(shè)備能耗及折舊費(fèi)用約300元/噸，總費(fèi)用約400元/噸。污泥衍生燃料熱值相當(dāng)于0.48kg左右標(biāo)準(zhǔn)煤的低位發(fā)熱量。綜合考慮污泥衍生燃料制備的成本和燃燒對(duì)環(huán)境的影響，污泥制備固體燃料是實(shí)現(xiàn)污泥減量化、無(wú)害化、資源化的有效途徑。

4結(jié)論

目前我國(guó)污泥無(wú)害化處置率較低，一般是經(jīng)過(guò)脫水后直接運(yùn)往垃圾場(chǎng)填埋，容易造成二次污染。因此，污泥合理、有效的處理處置已成為當(dāng)前迫切需要解決的問(wèn)題。將污泥與其他可燃物混合改善污泥的燃燒特性，可以實(shí)現(xiàn)污泥的減量化、無(wú)害化和資源化，國(guó)內(nèi)外部分學(xué)者在這方面做了相關(guān)的研究。本文通過(guò)對(duì)在污泥中添加稻桿制備的污泥生物質(zhì)衍生固體燃料燃燒特性的研究，為污泥的最終處置尋求一條合理的途徑，在降低環(huán)境污染的同時(shí)實(shí)現(xiàn)資源的回收利用。為實(shí)現(xiàn)污泥減量化、無(wú)害化和資源化處置，在污泥中添加稻桿等合成固體燃料，利用熱分析技術(shù)對(duì)污泥衍生燃料及其主要原料的燃燒特性進(jìn)行研究。以上研究表明：

(1)污泥衍生燃料具有一定的燃燒熱值、燃點(diǎn)低，當(dāng)燃燒溫度在 700℃左右時(shí)，污泥衍生燃料的可燃質(zhì)已基本消耗，失重率達(dá)到95%。

(2)灰分中CaO、Fe2O3、Al2O3、MgO等難溶解的穩(wěn)定金屬氧化物含量較高，而Hg、Pb、Cr、Ni等毒性較大的重金屬基本未檢出

(3)為加強(qiáng)燃料的燃燒，爐膛出口的煙氣溫度應(yīng)控制在比軟化溫度低100℃以上，即1086℃以下。

(4)污泥衍生燃料實(shí)驗(yàn)室制備的總費(fèi)用約400元/噸，1kg該燃料相當(dāng)于0.48kg左右標(biāo)準(zhǔn)煤的低位發(fā)熱量，具有可觀的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境效益。

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Study on the Combustion Characteristics of Biomass Sludge

Derived Solid Fuel

YU Fangfang

(Huicheng District Environmental Technology Centre，Huizhou 516003)

Abstract：To achieve the sludge reduction，harmlessly treatment and utilization，a kind of solid fuel is synthesized by adding rice straw and other substances in the sludge.The combustion characteristics of the sludge derived fuel and its main raw materials are studied through thermal analysis technology. The results showed that：The sludge derived fuel has a certain heat of combustion with better combustion characteristics，which is easy to igniter.When the temperature is about 700℃，combustible matter in the sludge derived fuel has been basically consumed，the heat equivalent to about 0.48kg of standard coal.The main components of ash are CaO，F(xiàn)e2O3，Al2O3，MgO and other metal oxides which is difficult to dissolve and stable. The technology of sludge synthetic fuel meets the current trend of sludge treatment and disposal.

Keywords：sludge disposal；straw；derived fuel；combustion characteristic

中圖分類號(hào)：X21

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-288X(2016)01-0095-03

作者簡(jiǎn)介：于芳芳，中級(jí)工程師，研究方向?yàn)榄h(huán)境污染及其防治

引用文獻(xiàn)格式：于芳芳.關(guān)于污泥生物質(zhì)衍生固體燃料燃燒特性研究[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2016，41(1)：95-97.