温度对污泥热解产物及特性的影响

实木地板亿牌地板白沙洲地板 QQ-2516685143 烽火村青菱乡合富金生万科红霞 地板翻新实木地板武汉南湖地板高性价比地板 温度对污泥热解产物及特性的影响 高现文 1*， 单春贤 1， 李海英 2， 郝建新 1， 高鹤明 1 1. 江苏大学能源与动力工程学院 ， 江苏 镇江 212013； 2. 河北理工大学冶金与能源学院 ， 河北 唐山 063009 摘要 ： 温度是污泥热解产物及产物分布状况的主要影响因素之一。为了确定最优的热解温度 ， 为不同的热解工艺提供参考 ，用直径为 200 mm 的外热式固定床反应器 ， 以唐山西郊污水处理厂剩余污泥为实验物料 ， 在终温为 250700 并在初期通以氮气的情况下 ， 对污泥的热解产物分布及特性进行了研究 。 实验表明 ： 在物料成分和其它 条件不变的情况下 ， 热解反应所需时间 随着热解终温 的 升 高而 缩短 ； 热解气和热解焦油的 质量分数 增 大 ； 焦炭 质量分数 减 小 。 热解焦炭的工业分析表明 ， 随热解终温的升高挥发分减少 、 固定碳 和灰分增加 。 热解焦油的热值在 1043 MJkg-1 之间 ； 焦炭的热值 1024 MJkg-1 之间 。 关键词 ： 污泥热解 ； 热解产物特性 ； 产物质量分数 ； 热解终温 中图分类号： X705 文献标识码： A 文章编号： 1672-2175（ 2007） 04-1189-04污泥是城市污水处理及废水处理不可避免的副产品 ， 且产量巨大 。 据估计 ， 全世界一年产生的干污泥量达 1 亿 t， 而我国约 2105 t1。 随着人类环保意识的提高和全球资源逐渐匮乏 ， 污泥的 处理 和资源化利用已成为目前一个世界性的 环境 、 社会和能源 问题 。 目前常见的污泥处理方法有农用、填埋和焚烧。由于前两种方法均需要一定的土地，而占总处理成本 25 50的燃料费用又使焚烧成为相当昂贵的污泥处理方法。污泥低温热解技术由 Bayer和Bridle进行了实验室研究 2，证明是一个能量自给有余的过程 3。污泥低温热解燃料化技术由于能有效利用污泥中的有效成分 ， 实现污泥减量化、无害化、稳定化和资源化而成为当前污泥处理技术研究开发的一大方向 。 影响污泥热解的主要因素有污泥种类、反应温度和反应时间等。 CamPbell4等人在275550 范围内对生污泥和厌氧发酵污泥进行了研究，以最大的 产 油率 为目的，得出最佳反应条件是 ： 温度 450 ，停留时间 0.5 h。 Ozlem Onay5、李海英 6等对城市污水污泥热解温度对产物分布的影响做了较详细的研究 ， 但没有提及温度对产物热值 的影响、 升温速率的影响及热解能耗问题。本文从热解温度和升温速率对污泥热解产物分布及特性的影响做了详细分 析 ， 并对热解 产物的 热值 和热解能耗方面 作 了简述 ， 为污泥的工业热解提供理论和实验支持 。 1 实验部分 1.1 实验装置 实验装置如图 1 所示 7， 由加热炉、热解反应器、冷凝器、 U 型差压计、气体流量计、温度控制仪等组成 。 加 热炉采用固定床外热式电加热炉 ， 功率 为 7.5 kW。 热解反应器由耐高温不锈钢材料制成 ， 直径 为 200 mm， 高度为 350 mm。 反应器盖上设有出气管、充氮管和 4 只热电偶 。 3 只热电偶位于反应器的同一径向 ， 用于测物料的温度变化 ； 另1 只热电偶位于反应器内物料的上空 ， 用于测反应器内热解气的温度 。 为使热解气中的可凝结物质充分冷凝下来 ， 采用 3 组 U 型套管式水冷冷凝器进行冷凝 ， 在其底部装有收集冷却热解液的收集器 。 去除可凝气体后的不凝性气体经过流量计排出室外燃烧 。 在冷凝器和流量计之间的 U 型差压计测量系统内的压力变化 。 1.2 实验物料 本实验物料采自唐山西郊污水处理厂的肥料生产厂 ， 采集的时间分别在三月份和四月份 。 污泥的工业分析和元素分析如表 1。 自然风干后的物料颗粒 直径 在 1 cm 以下 ， 为保证实验物料的成分和实验测量的准确度 ， 干物料在装入反应器前 ， 在105 的 电热烘箱中 烘烤 24 h， 保证 95以上的 1-温控仪 2-热电偶 3-加热炉 4-反应器 5-充氮管 6-收集器 7-温度计 8-换热器 9-U 型差压计 10-取气口 11-气体流量计 图 1 实验装置 Fig. 1 Diagram of pyrolysis equipment 实木地板亿 牌地板白沙洲地板 QQ-2516685143 烽火村青菱乡合富金生万科红霞 地板翻新实木地板武汉南湖地板高性价比地板 水分析出。 1.3 实验方法和实验条件 1.3.1 实验准备和测量 （ 1） 实验前将排气管道在碱性水中冲洗 ， 然后用电吹风吹干 ， 称其 质量 。 （ 2）调节温控仪：调节温控仪使其实现实验所需升温曲线 。 在此 ， 把加热炉壁温作为温度控制的反馈信号 。 （ 3）称装物料：用精度为 0.01 g 的电子秤称取物料约 1 kg 装入圆柱状的反应器中 ， 物 料放入后占到反应器高度的 三分之一 左右 。 反应器和反应器盖之间用石棉垫圈密封 ， 由 12 只耐高温的螺栓加固 。然后把反应器放入圆柱形的固定加热炉中 ， 并连结好排气管道和形管套筒式换热器及热电偶 。 （ 4）实验测量：开炉之前先用氮气检漏 ， 读取电表和流量计读数 。 打开炉子和控温仪的同时计时开始 ， 在整个实验期间每隔 5 min 记录一次热电偶和流量计读数 ； 在保温段每隔 10 min 读取一次 。 当排气管处的流量计读数变化到 0.002 m3min-1 且 保持 3 次以上不变时 ， 实验可以结束 。 停炉后读取电表读数 ， 使炉子自然冷却 。 为了比较分析 ， 进 行了10 min-1 、 15 min-1 两种升温速率下的实验 。 1.3.2 热解产物的热值和工业分析 用 GR 3500 型氧弹式热量计 对热解焦炭和焦油进行热值分析 ， 实验中 样本 质量为 1 g， 氧弹中氧压为 2.53.0 MPa。 用 烘箱和马费炉对焦炭进行工业分析 ， 把 1 g 的 焦炭 在烘箱中以 105110 烘 1 h后放到马费炉中以 900 高温烘烤 7 min， 最后在马费炉中以 850 烘烤直到恒重 。 用差重法分别测出 焦炭 的水分、挥发分、灰分和固定碳的 质量分数 。 2 结果和讨论 2.1 热解 终 温 对热解反应时间的影响 污泥热解反应时间随热解终温的变化如图 2 所示 。 由图 2 可知 ， 在终温为 450 时 ， 热解时间最长 。 终温小于 400 时主要反应是脱水和小部分脱气 ， 在没有催化剂、没有流动的情况下热解反应所需的时间很长 ， 并且受升温速率影响较大 。 当温度达到 400450 之间时 ， 越来越多的物质参与到热解反应中 ， 热解时间会加长 ， 终温越高所需的热解反应时间越长 ； 当温度大于 450 后 ， 大部分可热解成分都已参与到热解反应中 ， 这时主要表现为 ：随温度升高热解时间迅速缩短而与升温速率的关系不大 。 此后 ， 热解 所需 时间随 热解 终温升高缓慢下降 。 2.2 热解终温对产物质量分数的影响 热解产物 的质量分数 随热解终温的变化如图 3示。从图 3 中可以看到随终温的升高焦炭 质量分数减 小 、气 的 质量分数 增 大， 而焦油质量分数则有个高峰期（在 500 左右） 。 产油高峰期后 ， 气 的质量分数 明 显增加。 这与文献 89的 描述一致，但最大焦油质量分数大于 30%。这主要是由于 500 后有部分焦油发生了二次分 解 10，分解为热解气 。500 后焦炭质量分数随温度升高 而 降低不再明显 。 因为此后焦炭中的挥发分减少 ， 固定碳和灰分增加 ， 焦炭的工业分析各值 变化 如图 4 所示 。 表 1 污泥的工业分析和元素分析 Table 1 Industrial analysis and ultimate analysis of sewage sludge 工业分析 w / % 元素分析 w / % Moisture Ash Volatile matter Fixed carbon H S N C O 2.08 30.15 59.78 7.98 6.08 0.99 3.87 44.17 44.89 350 400 450 500 550 600 650 700100200300400500600700产物质量分数 /（gkg-1）热解终温 / 焦碳焦油气15 m i n-110 m i n-1 图 3 焦炭、焦油、气的质量分数随热解终温的变化 Fig. 3 Mass fraction of coke、 tar and gas at various ultimate temperatures 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750200250300350400450500时间 / min温度 / 1 5 m i n- 1 1 0 m i n-1 图 2 热解时间随热解终温的变化曲线 Fig. 2 Pyrolysis time at various ultimate temperatures 实木地板亿牌地板白沙洲地板 QQ-2516685143 烽火村青菱乡合富金生万科红霞 地板翻新实木地板武汉南湖地板高性价比地板 2.3 热解终温对产物热值的影响 焦炭和焦油的热值在 1043MJ11且 随 热解 终温的变化如图 5 示 ， 从图 5 可看出焦炭的热值随热解终温升高而降低 ； 焦油的热值有一个峰值 ， 这是由于前面提到的二次分解造成的 12。 焦油的二次分解原理详见文献 13。 2.4 热解终温对耗电量的影响 图 6 示出了耗电量随 热解 终温的变化 。 耗电量的影响因素包括物料 湿度 、升温速率、 热解 终温等 。从图 6 可以看出 ， 在 450 处有峰值 ， 到 500 后又随温度升高而增 大 。 在 450 到 500 之间有一个降低的过程 ， 主要是因为在 450 之前的二次分解还不强烈 。 3 结论 M Inguanzo14等 在升温速率为 5 min-1 和60 min-1，终温为 450850 条件下得出城市污泥的热解在低温段受升温速率影响较大，随着热解终温的升高焦炭的质量分数减 小 ， 热解 气的质量分数增 大 。 Puchong Thipkhunthod15等 对不同的污泥样品进行了热解和热重实验，结果表明污泥开始热解 的 温度为 250300 ，在更高的温度存在二次分解 。 通过对唐山西郊污水处理厂污泥的热解研究表明： （ 1）当热解终温小于 450 时 ， 污泥的热解时间随热解终温的 升 高而增加 ； 大于 450 时污泥的热解时间随 热解 终温的 升 高而减少 。 （ 2）热解气的质量分数随热解终温升高而增大 ； 500 前焦油的质量分数随温度升高而增 大 ，500 后随温度升高而减 小 ； 焦炭的质量分数随温度升高而减小 。 温度对 热解的影响要大于加热速率的影响 16。 （ 3）焦油的热值在 500600 的情况下达到最大 ， 500 左右焦油质量分数最大，从能耗方面看500 也是一个最佳的产油热解温度 。 （ 4）从焦炭的工业分析看 ， 随 热解 终温升高 焦炭中 挥发分 质量分数 减 小 ， 灰分和固定碳 质量分数增 大 。 参考文献 ： 1 张统 . 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Disposal technique and resource utiliza-200 300 400 500 600 70001020304050607015 m i n-1成分的质量分数 / %热解温度 / 固定碳灰份挥发份水份10 m i n-1 图 4 焦炭的工业分析 Fig. 4 Industrial analysis of coke 300 400 500 600 7001000015000200002500030000350004000045000产物热值 /（KJKg-1）热解终温 / 焦油热值焦炭热值10 m i n-115 m i n-1 图 5 焦炭和焦油热值随热解终温的变化 Fig. 5 Heat value of coke、 tar at various ultimate temperatures 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750234567耗电量 / (kWh)热解终温 / 1 5 m i n-1 1 0 m i n-1 图 6 耗电量随热解终温的变化 Fig. 6 Power consumption at various ultimate temperatures 耗电量/(kWh) 产物热值/(kJkg-1 ) 实木地板亿 牌地板白沙洲地板 QQ-2516685143 烽火村青菱乡合富金生万科红霞 地板翻新实木地板武汉南湖地板高性价比地板 tion of sludgeM. Beijing: Chemical Industry Press, 2007: 20. 5 ONAY O. Influence of pyrolysis temperature and heating rate on the production of bio-oil and char from safflower seed by pyrolysis, using a well-swept fixed-bed reactorJ. Fuel Processing Technology, 2007, 88: 523-531. 6 李海英 , 张书廷 , 赵新华 . 城市污水污泥热解温度对产物分布的影响 J. 太阳能学报 , 2006, 27(8): 835-840. 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