鈣基脫硫劑對污泥流變特性的影響

陳春瑞,張圓圓,趙沛禎,趙文鑫,王鵬程,姜 平,楊鳳玲

(1.山西大學 CO2減排與資源化利用教育部工程研究中心 國家環境保護煤炭廢棄物資源化高效利用技術重點實驗室,山西 太原 030006;2.山西河坡發電有限責任公司,山西 陽泉 045000)

0 引 言

據統計,2021年我國污泥產生量達8 900萬t[1],大量高水分污泥無法有效妥善處置,引發嚴重的環境和社會問題[2-4]。高水分污泥具有一定熱值,將其用于燃燒發電[5],不僅可以實現污泥能源化利用,還可小利用現有污染物控制工藝,實現污泥清潔化利用,是符合生態工業和可持續發展理念的資源化利用方式。管道輸送是污泥大規模泵送入爐用于燃燒發電的重要環節,污泥中高水分有利于管道輸送,但是會造成后續在循環流化床爐內燃燒熱損失。因此,尋求兼顧管道輸送和爐內燃燒的污泥泵送方案,實現污泥在燃煤電廠大規模資源化利用意義重大。

目前,國內外學者對污泥流變特性進行研究。BAKOS等[6]對黏性污泥和絲狀污泥的流變特性進行研究,開發標準化不同絮體結構污泥泵送模型。曹秀芹等[7]對間歇式活性污泥和厭氧好氧污泥進行流變特性分析,發現總固體ST為9.1%時,2種污泥均為假塑性非牛頓流體、極限黏度與ST呈冪律關系。曹秀芹等[8]對含水率93.99%～98.72%的污泥進行流變特性分析試驗,發現低剪切速率0～150 s-1時,含水率對污泥黏度影響更大,其中含水率96.31%～98.72%的污泥表觀黏度在0.5 Pas以下,適于遠距離運輸。WANG等[9]探究了酸性pH對污泥流變特性的影響,發現酸性pH有助于提高污泥脫水性能,從而起到調節降低污泥表觀黏度的效果。WANG等[10]探究了厭氧顆粒污泥在不同固體濃度、操作溫度和粒徑下的流變行為,發現顆粒污泥在屈服應力下表現出剪切稀化行為,總固體濃度和粒徑對污泥的流變特性影響較大。王遠[11]探究了厭氧消化對污泥流變特性的影響規律,發現經厭氧消化的污泥流變特性發生變化,更易管道輸送。張嚴之等[12-15]探究了溫度對污泥流變特性的影響規律,發現升高溫度可降低污泥的表觀黏度,更易輸送。ESHTIAGHI等[16-19]探究了揮發性固體、總固體含量對污泥流變特性的影響,發現固體含量越高,流動性越差。馬睿等[20]綜述了測定污泥流變特性的方法,分析了各影響因素對污泥流變特性的影響規律。?RMECI[21]根據獲取的污泥流變數據,優化了污水處理廠調節和脫水操作的控制參數。FARNO等[22]探討了污泥流變數據變化和回歸分析對通過管道流動理論計算的壓降變化的影響,比較了不同模型和回歸方法之間計算的壓降變化,并提出每種方法的適用性。石灰石或電石渣是循環流化床鍋爐爐內脫硫常用的鈣基脫硫劑,將石灰石或電石渣與污泥泵送結合,可在保證高水分污泥泵送流變特性的同時,為污泥后續爐內燃燒熱損失降低提供思路,進而實現污泥和電廠鈣基脫硫劑協同利用。然而目前關于鈣基脫硫劑加入對高水分污泥流變特性影響的研究還較缺乏。

筆者系統研究了燃煤電廠常用脫硫劑石灰石、電石渣的加入對污泥流變特性的影響規律,以期為污泥在燃煤電廠爐前泵送方案的設計提供技術選擇。

1 試 驗

1.1 原料性質及樣品制備

試驗所用污泥樣品取自山西省陽泉市市政污泥(SS),采集的樣品置于清潔干燥密封的采樣桶中備用。石灰石(LS)取自山西省河坡發電有限責任公司,電石渣(AS)取自山西省瑞恒化工有限公司。

根據GB/T 212—2008《煤的工業分析方法》,使用CTW-500B型智能馬弗爐測定市政污泥中水分、灰分和揮發分,結果見表1。使用荷蘭E3型X射線熒光光譜分析(X Ray Fluorescence)對脫硫劑石灰石和電石渣成分進行分析,結果見表2。

表1 樣品工業分析Table 1 Proximate analysis of samples

表2 脫硫劑的主要化學組成Table 2 Main chemical composition of desulfurizer

不同比例脫硫劑/污泥混合樣品的制備:按照污泥與石灰石或電石渣質量比分別為95∶5、90∶10、85∶15、80∶20、75∶25、70∶30制得不同配比的污泥/脫硫劑混合樣品備用,摻混石灰石樣品對應的含水率依次為78%、74%、70%、66%、62%、58%;摻混電石渣樣品對應的含水率依次為78.2%、74.4%、70.6%、66.8%、63.0%、59.2%。

1.2 試驗方法

采用旋轉流變儀(Malvern Kinexus lab+)獲取試驗數據,流變儀表觀黏度測量精度為0.003 Pa·s,測量扭矩為0～200 N·m,分析時間<10 ms,裝置示意如圖1所示,主要由流變儀、主機、顯示器3部分組成。通過設定剪切速率得到不同工況下的污泥膏體流變特性曲線,通過轉子轉動可測定樣品表觀黏度等基本流變參數。

圖1 旋轉流變儀示意Fig.1 Schematic diagram of rotary rheometer

試驗參數設定環境溫度為25 ℃,初始剪切速率為10 s-1,結束剪切速率為350 s-1,單次剪切時間為5 min。研究剪切時間對污泥流變特性的影響時,給定2種剪切速率35和70 s-1,剪切時間取6 min,每30 s取一個點。基于旋轉流變儀,系統探討了脫硫劑石灰石和電石渣比例(5%、10%、15%、20%、25%、30%)、粒徑(0.075～0.150、0～0.075 mm)以及剪切時間(360 s)對污泥流變特性的影響規律。

2 結果與討論

2.1 石灰石對污泥流變特性的影響

2.1.1 石灰石比例對污泥流變特性的影響

0.075～0.150 mm石灰石摻混污泥剪切速率-剪切應力曲線如圖2所示,可知污泥混合石灰石后,剪切應力隨剪切速率增大而增大,屬于假塑性流體或賓漢性流體。相同剪切速率下,剪切應力隨石灰石摻比的增加而增大,且石灰石比例在15%和20%后增長顯著。石灰石比例由15%增至20%,剪切應力增量在150 Pa左右。說明石灰石比例>15%后,混合物性質發生轉變,導致膏體剪切應力快速增長。

圖2 0.075～0.150 mm石灰石摻混污泥剪切速率-剪切應力曲線Fig.2 Shear rate-shear stress curves of limestone blended sludge of 0.075-0.150 mm

為驗證混合物性質的變化,采用Bingham模型和Herschel-Bulkley模型對6種混合物的剪切速率-剪切應力關系曲線進行擬合分析,得到其流變特性方程,結果見表3。由表3可知,石灰石摻比大于15%后,混合膏體的非牛頓流體類型從屈服假塑性流體變為賓漢性流體。

表3 不同石灰石摻比的污泥流變特性方程Table 3 Rheological characteristic equation of sludge with different limestone mixing ratios

0.075～0.150 mm石灰石摻混污泥剪切速率-表觀黏度曲線如圖3所示,可知污泥混合石灰石后其表觀黏度隨剪切速率的增大而減小。

圖3 0.075～0.150 mm石灰石摻混污泥剪切速率-表觀黏度曲線Fig.3 Shear rate-apparent viscosity curves of limestone blended sludge of 0.075-0.150 mm

對于同一剪切速率下不同石灰石摻比的混合膏體,隨石灰石摻加比例增大,其表觀黏度增大。石灰石比例由15%增至20%后,其表觀黏度發生較大變化。將0～0.075 mm石灰石采用不同比例摻加污泥得到對應的剪切速率-剪切應力、剪切速率-表觀黏度曲線如圖4所示。

圖4 0～0.075 mm石灰石摻混污泥流變特性曲線Fig.4 Rheological characteristic curves of limestone mixed sludge of 0-0.075 mm

由圖4(a)可知,在同一剪切速率下,隨0～0.075 mm 石灰石摻混污泥比例增加剪切應力增大,且在石灰石摻混比例15%和25%后剪切應力增加較顯著,說明石灰石摻加比例在>15%和>25%后混合物的流變特性發生較大變化。由圖4(b)可知,在同一剪切速率下,隨0～0.075 mm石灰石摻混污泥比例增加表觀黏度增大,摻混比例15%和25%后表觀黏度增量較顯著。結合圖4(a)和4(b),0～0.075 mm石灰石混合污泥后,剪切應力和表觀黏度變化顯著。在同一剪切速率下,隨石灰石摻混比例增加,表觀黏度和剪切應力均增大。且石灰石摻混比例在15%和25%后,混合物的流變特性變化較顯著。

2.1.2 剪切時間對污泥石灰石混合流變特性的影響

0.075～0.150 mm石灰石摻混污泥剪切時間-表觀黏度曲線如圖5所示。可知在同一剪切時間下,石灰石摻比越大混合物的表觀黏度越大。圖5(a)中,剪切時間6 min后,混合物表觀黏度平均下降7 Pa·s;圖5(b)中,剪切時間6 min后,混合物表觀黏度平均下降4 Pa·s。說明混合物在低剪切速率35 s-1下剪切時間對表觀黏度影響更顯著。其次,圖5(a)中0.075～0.150 mm石灰石在摻比為15%和25%后,表觀黏度變化更顯著。結合圖5(a)和5(b)可知,剪切時間對污泥混合0.075～0.150 mm石灰石的流變特性影響較顯著,表現為剪切時間6 min內,表觀黏度持續下降。

圖5 0.075～0.150 mm石灰石摻混污泥剪切時間-表觀黏度曲線Fig.5 Shear time-apparent viscosity curves of limestone blended sludge of 0.075-0.150 mm

0～0.075 mm石灰石摻混污泥剪切時間-表觀黏度曲線如圖6所示。可知對于同一摻加比例不同剪切時間的混合膏體,隨剪切時間的增大,表觀黏度下降。圖6(a)中,剪切時間6 min內,混合膏體的表觀黏度平均下降10 Pa·s。圖6(b)剪切時間6 min內,混合膏體的表觀黏度平均下降5 Pa·s。低剪切速率35 s-1下,剪切時間對其表觀黏度的影響更顯著。0～0.075 mm石灰石在摻比20%后,表觀黏度顯著增加。

綜合剪切時間對污泥石灰石流變特性的影響可知,2種粒徑石灰石摻混污泥后,表觀黏度隨剪切時間的增大逐漸減小,且在低剪切速率35 s-1下,表觀黏度下降趨勢更顯著。

2.1.3 石灰石粒徑對污泥流變特性的影響

2種粒徑的石灰石摻混污泥剪切時間-表觀黏度曲線如圖7所示。可知,剪切速率35和70 s-1時,0～0.075 mm石灰石摻混污泥后表觀黏度曲線均高于0.075～0.150 mm石灰石。說明石灰石粒度越小,混合膏體的表觀黏度越大。這是由于石灰石粒度越小,污泥顆粒與石灰石顆粒間接觸面積越大,分子間作用力更強導致表觀黏度更大。

圖7 不同粒徑石灰石摻混污泥剪切時間-表觀黏度曲線Fig.7 Shear time-apparent viscosity curves of limestone with different grain diameter blended sludge

2.2 電石渣對污泥流變特性的影響

2.2.1 電石渣比例對污泥流變特性的影響

0.075～0.150 mm電石渣摻混污泥剪切速率-表觀黏度曲線如圖8所示。可知對于同一電石渣摻比的混合膏體,其表觀黏度隨剪切速率的增大而減小,且在低剪切速率下降低趨勢更顯著。對于同一剪切速率不同電石渣摻比的混合膏體,隨電石渣摻混比例增加,表觀黏度增加,且電石渣摻加比例>15%和>25%后,混合物表觀黏度增長較大。說明混合膏體流變特性發生質的變化。電石渣摻混比例為30%在初始剪切速率時表觀黏度為180 Pa·s,剪切速率達到最大值時表觀黏度值接近0,表觀黏度差值最大。說明30%比例電石渣對污泥流變特性影響最顯著。

0～0.075 mm電石渣摻混污泥剪切速率-表觀黏度曲線如圖9所示。可知混合物的表觀黏度值隨剪切速率的增大而減小,且在低剪切速率下表觀黏度下降趨勢更明顯。同一剪切速率下,隨電石渣摻混比例增加,表觀黏度增加。電石渣摻加比例大于15%后,混合膏體表觀黏度增長顯著。

圖9 0～0.075 mm電石渣摻混污泥剪切速率-表觀黏度曲線Fig.9 Shear rate-apparent viscosity curves of carbide slag blended sludge of 0-0.075 mm

綜合圖8、9可知,電石渣摻加比例越大,混合物表觀黏度值越大,且隨電石渣摻加比例增加,膏體流變特性發生較顯著變化。2種粒徑電石渣摻加比例均在15%后混合膏體表觀黏度變化顯著。

2.2.2 剪切時間對污泥電石渣混合流變特性的影響

0.075～0.150 mm電石渣摻混污泥剪切時間-表觀黏度曲線如圖10所示。可知對于同一電石渣摻比的混合膏體,其表觀黏度值隨剪切時間的增大而減小。對于同一剪切時間不同電石渣摻比的混合膏體,電石渣摻比越大混合膏體的表觀黏度越大。由圖10(a)可知,電石渣摻比>20%后,混合膏體表觀黏度顯著增大,電石渣摻比25%的表觀黏度曲線遠高于電石渣摻比20%時。由圖10(b)可知,電石渣摻比為30%時,剪切時間前210 s混合膏體的表觀黏度曲線遠高于其他5條曲線,且隨剪切時間增大,表觀黏度降低趨勢最顯著。結合圖10(a)和10(b)可知,0.075～0.150 mm電石渣,剪切時間對其摻比較大的混合膏體影響更顯著。

圖10 0.075～0.150 mm電石渣摻混污泥剪切時間-表觀黏度曲線Fig.10 Shear time-apparent viscosity curves of carbide slag blended sludge of 0.075-0.150 mm

0～0.075 mm電石渣摻混污泥剪切時間-表觀黏度曲線圖如圖11所示。可知對于同一電石渣摻比的混合膏體,其表觀黏度隨剪切時間增大而減小。對于同一剪切時間不同電石渣摻比的混合膏體,隨著電石渣摻比增加,表觀黏度增大。由圖11(a)可知,剪切時間6 min內,表觀黏度隨剪切時間增大而減小。圖11(b)中240 s前,膏體表觀黏度隨剪切時間的增大而減小,240 s后,膏體表觀黏度隨剪切時間的增大趨于穩定。結合圖11(a)和11(b)可知,剪切時間對電石渣摻加比例較大的混合膏體流變特性影響更顯著,且相比較低剪切速率下的剪切時間-表觀黏度曲線,高剪切速率下剪切時間對表觀黏度的影響更顯著。

圖11 0～0.075 mm電石渣摻混污泥剪切時間-表觀黏度曲線Fig.11 Shear time-apparent viscosity curves of carbide slag blended sludge of 0-0.075 mm

分析剪切時間對污泥混合電石渣流變特性的影響規律,發現剪切時間對摻加電石渣比例高的混合膏體流變特性影響更顯著。高剪切速率下的剪切時間對膏體表觀黏度的影響更顯著。

2.2.3 電石渣粒徑對污泥流變特性的影響

剪切速率70 s-1下,不同粒徑電石渣摻混25%后混合膏體的剪切時間-表觀黏度曲線如圖12所示。可知0～0.075 mm電石渣摻混污泥后表觀黏度高于0.075～0.150 mm電石渣。說明電石渣粒徑對混合膏體流變特性有一定影響。隨粒徑減小表觀黏度增大,這是由于較細的電石渣更易與污泥顆粒混合均勻,且顆粒與顆粒間空隙越小、分子間作用力越強。

圖12 剪切速率70 s-1下不同粒徑電石渣摻混污泥剪切時間-表觀黏度曲線Fig.12 Shear time-apparent viscosity curves of carbide slag with different grain diameter blended sludge at shear rate of 70 s-1

3 結 論

1)脫硫劑摻比越大,混合物表觀黏度和剪切應力相對越大,脫硫劑摻加比例大于15%后,混合物的流變特性變化顯著,混合膏體由屈服假塑性流體變為賓漢性流體。

2)混合膏體表觀黏度在同一剪切速率下隨剪切時間增大逐漸減小,相比高剪切速率70 s-1,低剪切速率35 s-1下表觀黏度的下降趨勢更顯著。

3)在同一剪切速率下對相同摻加比例的混合膏體進行分析發現粒徑0～0.075 mm的混合膏體,混合后表觀黏度更大,說明脫硫劑粒徑越小,對混合物的流變特性影響越顯著。

4)通過污泥混合脫硫劑泵送可較好降低混合膏體含水率且泵送入爐后可起到爐內脫硫作用。脫硫劑比例15%～20%,混合膏體流動效果較好,表觀黏度無大幅增長。