污泥和神府煤共燃熱重量分析

李鵬飛+郭建忠

摘 要：城市污水污泥的處理已成為困擾各國的環境問題，焚燒法和熱解法具有資源化和能源化等優點，被認為是兩種有前途的熱化學處理方法，在發達國家廣泛應用。隨著經濟的迅速發展，污泥的處理處置越來越受到關注。因此，污水污泥的高效潔凈焚燒已成為我國城市污水污泥處理亟需研究的課題。通過熱重法研究了三種不同污水污泥樣品（A，B和C），一種陜西神府地區煙煤和污泥煤混合物的燃燒在25-800℃的溫度范圍內以10℃/min進行動態運行。污泥主要由兩種有機成分組成不同反應性；反應性較低的部分在更接近煤的溫度下分解和燃燒，盡管通常略微降低。對于煤泥混合物，檢測不到組分之間的相互作用。從實驗結果計算出Arrhenius動力學參數，將該過程作為一系列連續的第一個參數訂單反應。由于少量添加污泥（10wt%混合），煤的反應性幾乎沒有變化。50wt%共混物顯示有兩個不同的反應區域。在較低溫度區域（約T<350℃），共混反應性與污泥相似在較高的溫度區域類似于煤（T>350℃）。

關鍵詞：污泥；煤炭；復合燃料；熱重量

中圖分類號：X705 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）31-0104-03

引言

污水污泥與煤混合物的燃燒結合了其他處置方法中沒有的許多優點。這些優點包括污泥體積的大幅減少以及有毒有機化合物和病原體的熱破壞。此外，這些方法允許回收利用這種材料的能量替代不可再生燃料。然而，共燃過程可能有一些缺點，主要有NOx（由于污泥的氮含量高），微量元素和二惡英的排放[1]。污泥是污水處理過程中產生的一種特殊的泥水混合物，成分十分復雜，它是由微生物形成的菌膠團與其吸附的有機物和無機物組成的集合體，除含有大量的水分外，還含有難降解的有機物、揮發性物質、重金屬離子、寄生蟲卵、病原微生物等，且其有機物含量高，容易腐化發臭，如不加妥善處理和處置，直接排放會給水體、土壤和大氣造成嚴重污染，破壞生態環境[2]。由于不同于煤的污泥（揮發性物質，灰分和固定碳）的技術性能，預計燃燒特性的顯著差異。這可能對燃燒效率有重要影響。對TG譜的研究有助于提高這一過程的知識，從而建立最佳的操作條件來發展。因此，有幾位作者研究了不同類型污泥的燃燒，以及通過熱重分析污泥對煤的添加效果[3-5]。

這項研究的目的是通過熱重分析研究一種煙煤，三種污水污泥及其混合物的燃燒，評估混合組分之間的相互作用。此外，進行簡單的動力學分析以適應實驗結果，并驗證污泥加入煤中時的反應性變化。

1 試驗

來自我國陜西神府地區（C煤）的一種煤（高揮發性煙煤）以及三種類型的污水污泥樣品并位于三個城市污水處理廠（A，B，C）。A和B污泥樣品的穩定化和調理分別通過加入石灰和FeCl3來制備。第三種污泥（C）是從沒有氮氣消除階段的植物獲得的，其穩定化和調理分別通過加入石灰和有機聚電解質進行。從這些材料中制備6個污泥-煤混合物，其干燥污泥含量為10wt%和50wt%。表1為燃料物質分析數據。

用MettlerTA-4000熱重分析儀進行熱重燃燒運行分析。使用大約10mg的干燥樣品，粒度為200μm，測試試驗的再現性。測定在靜態空氣氣氛中進行，使用溫度從環境升高至800℃的加熱速率為10℃/min進行試驗。

2 實驗結果及分析

實驗結果顯示神府地區煙煤的典型燃燒特性，其主峰包含在304-640℃之間，最大重量損失率為529℃，熱分解和揮發物損失以及焦化氣化的結果[6]。此外，觀察到凈增重是由于之前的氧化學吸附燃燒開始，污泥樣品包括多個峰，并且根據污泥的特性而變化。C污泥的形態是不同于A和B樣本，其行為類似。污泥燃燒間隔可分為兩個階段。對于A和B污泥，第一個從約160-360℃延伸，顯示單峰，重量約減少58%。在360-640℃的階段，剖面顯示存在與不同來源的有機物有關的幾個小的重疊峰，總體重約減少42%。在C污泥的情況下，兩個階段分別從145℃延長到380℃，從380℃延伸到565℃，相當于總重量損失的56%和44%（如圖1）。每個混合物的曲線位于參考材料的曲線之間，可以清楚地了解到污泥和煤對這些峰值曲線的影響。因此，盡管顯示出一些差異，10wt%化合物表現與煤類似，例如化學吸附階段的消失，以及最大重量損失率的輕微降低。此外，對于50wt%共混物，可以看到兩個不同的階段，在第一階段顯示了污泥，在第二階段顯示了主要是煤。在污泥和50wt%共混體系中，第一階段的峰值主要歸因于空氣與揮發物質和反應性結構的反應，而第二階段的反應是由于更復雜結構的反應。在較早的工作中，來自相同廢水處理廠的污泥樣品的差分熱分析表明，根據兩個TG曲線，存在兩個放熱峰。其他研究者也獲得了類似的污泥燃燒結果。從圖中的TG可以看出，如圖1所示，對于A和C共混物，觀察不到共混組分之間的相互作用，因為從共混組分的加權和計算的實驗和計算的兩個分布是一致的。然而，對于B共混物，可以看出可能與組分之間的某種程度的相互作用有關的微小差異。這些結果與其他作者獲得的結果不一致，他們觀察到混合燃燒過程中的重要相互作用。類似地，如在其他文獻中，在這些樣品的熱解的情況下，沒有觀察到共混組分之間的相互作用。

mi和mi∞分別是每個時刻的i分數的未燃燒質量和峰末端的未燃燒質量（在DTG中的兩個重疊峰的情況下，mi∞在兩個峰的交點處被確定），并且k應該遵循Arrhenius方程。

對于大多數樣品來說，常規樣品的動力學參數以及B污泥，煤及其混合物的Arrhenius圖，都獲得了合理的燃燒數據。在Arrhenius圖中，對于每種類型的污泥及其與煤的混合物，有兩個廣泛的線性區域，其中污泥是最具反應性的物質。

對于煤，顯示了具有兩個不同的線性間隔的典型的Arrhenius圖，其具有380-570℃和570-650℃的線性度。在第一個子區間，全過程的表觀能量激活為61.5kJ/mol，涉及的煤轉化為脫揮發分，揮發物點燃和表面反應。第二個子區可能主要與焦炭燃燒有關，其活化能為182.3kJ/mol。這些值與其他作者在空氣流下進行TG測定所獲得的值完全一致。對于這個子間隔，發現的值似乎表明反應在化學控制下發生，因為這樣一個值接近來自Asturian煙煤的焦炭的其他研究者報告的數據。對于50wt%的共混物，活化能幾乎等于污泥和煤的活化能（C污泥最大偏差約9%）和第二區線性（最大偏差30%較高的溫度）。后者表明，在第一個燃燒階段，只有污泥被燃燒，而在第二個燃燒階段，煤與少量的污泥燃燒（在煤燃燒間隔中反應的總質量的24%），這僅略微改變了煤的動力學參數。在較高的溫度下，只有煤被燃燒。另一方面，10wt%的混合物表現為與煤具有類似反應性的單一材料，對煤燃燒的動力學參數具有不可忽視的影響。

3 結束語

在煙煤和污水污泥樣品的燃燒特性（DTG）之間，發現了幾個可理解的差異，主要是由于材料的“等級”差異。一般情況：（1）污泥中有機物燃燒區域的轉變溫度低于對應煤層的溫度；（2）這些區域的溫度范圍比煤更為廣泛；（3）這些區域對于污泥（兩個或多個峰）比對于煤（一個峰）更為復雜。污泥-煤混合物顯示了污泥和煤之間的中間行為，這可能是從重量組成的混合物中預測。

動力學分析結果表明，一階反應與Arrhenius定律材料解釋相當及其混合物發現的不同失重階段。對于10wt%的共混物，反應性類似于煤的反應性，而對于50wt%的共混物，可以區分兩個不同的反應活性區域。在較低溫度區域T<350℃，由于僅在該材料中發生脫揮發分，共混反應性與污泥相似。在較高的溫度區域T>350℃，混合反應性接近于煤，由于在煤燃燒區間，煤中燃燒的比例較低的污泥有機物質。因此，能量活化值分別與每個燃燒階段的污泥和煤相似。

參考文獻：

[1]劉亮.污泥混煤燃燒熱解特性及其灰渣熔融性實驗研究[D].中南大學，2011.

[2]張勇.我國污泥處理處置現狀及發展前景[J].中國資源綜合利用，2014（10）：23-26.

[3]朱增銀，周金金，高蓉菁，等.污泥燃料化技術研究進展及展望[J].環境科技，2013（04）：51-54.

[4]陳曉平，顧利鋒，韓曉強，等.污泥及其與煤混合物的熱解特性和灰熔融特性[J].東南大學學報（自然科學版），2008（06）：1038-1043.

[5]張磊.煤摻混污泥的混燒特性及動力學分析[D].重慶大學，2013.

[6]王川紅，郭曉鐳，龔欣，等.粒度、濕含量對神府煙煤煤粉流動性參數的影響[J].華東理工大學學報（自然科學版），2008（03）：377-382+456.endprint