温度对污泥热解产物及特性的影响温度对污泥热解产物及特性的影响

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实木地板亿牌地板白沙洲地板QQ2516685143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11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200MM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1043MJKG1之间;焦炭的热值1024MJKG1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16722175(2007)04118904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2105T1。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05H。OZLEMONAY5、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11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75KW。热解反应器由耐高温不锈钢材料制成,直径为200MM,高度为350MM。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。12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1CM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24H,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9U型差压计10取气口11气体流量计图1实验装置FIG1DIAGRAMOFPYROLYSISEQUIPMENT实木地板亿牌地板白沙洲地板QQ2516685143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。13实验方法和实验条件131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001G的电子秤称取物料约1KG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U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5MIN记录一次热电偶和流量计读数;在保温段每隔10MIN读取一次。当排气管处的流量计读数变化到0002M3MIN1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℃MIN1、15℃MIN1两种升温速率下的实验。132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1G,氧弹中氧压为2530MPA。用烘箱和马费炉对焦炭进行工业分析,把1G的焦炭在烘箱中以105110℃烘1H后放到马费炉中以900℃高温烘烤7MIN,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21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。22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TABLE1INDUSTRIALANALYSISANDULTIMATEANALYSISOFSEWAGESLUDGE工业分析W/元素分析W/MOISTUREASHVOLATILEMATTERFIXEDCARBONHSNCO2083015597879860809938744174489350400450500550600650700100200300400500600700产物质量分数/(GKG1)热解终温/℃焦碳焦油气15℃MIN110℃MIN1图3焦炭、焦油、气的质量分数随热解终温的变化FIG3MASSFRACTIONOFCOKE、TARANDGASATVARIOUSULTIMATETEMPERATURES300350400450500550600650700750200250300350400450500时间/MIN温度/℃15℃MIN110℃MIN1图2热解时间随热解终温的变化曲线FIG2PYROLYSISTIMEATVARIOUSULTIMATETEMPERATURES实木地板亿牌地板白沙洲地板QQ2516685143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23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。24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MINGUANZO14等在升温速率为5℃MIN1和60℃MIN1,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。PUCHONGTHIPKHUNTHOD15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SBR及其变法污水处理与回用技术M北京化学工业出版社,2003302303ZHANGTONGSEWAGETREATMENTANDRECLAIMTECHNIQUEFORSBRANDITSDEFORMATIONMBEIJINGCHEMICALINDUSTRYPRESS,20033203032LUTZH,ROMEIROGA,DAMASCENORN,ETALLOWTEMPERATURECONVERSIONOFSOMEBRAZILIANMUNICIPALANDINDUSTRIALSLUDGESJBIORESOURCETECHNOLOGY,20007,41031073赵庆祥污泥资源化技术M北京化学工业出版社,2002236237ZHAOQINGXIANGRESOURCEUTILIZATIONTECHNIQUEOFSLUDGEMBEIJINGCHEMICALINDUSTRYPRESS,20022362374朱开金,马忠亮污泥处理技术及资源化利用M北京化学工业出版社,200720ZHUKAIJIN,MAZHONGLIANGDISPOSALTECHNIQUEANDRESOURCEUTILIZA20030040050060070001020304050607015℃MIN1成分的质量分数/热解温度/℃固定碳灰份挥发份水份10℃MIN1图4焦炭的工业分析FIG4INDUSTRIALANALYSISOFCOKE3004005006007001000015000200002500030000350004000045000产物热值/(KJKG1)热解终温/℃焦油热值焦炭热值10℃MIN115℃MIN1图5焦炭和焦油热值随热解终温的变化FIG5HEATVALUEOFCOKE、TARATVARIOUSULTIMATETEMPERATURES300350400450500550600650700750234567耗电量/KWH热解终温/℃15℃MIN110℃MIN1图6耗电量随热解终温的变化FIG6POWERCONSUMPTIONATVARIOUSULTIMATETEMPERATURES耗电量/KWH产物热值/KJKG1实木地板亿牌地板白沙洲地板QQ2516685143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TIONOFSLUDGEMBEIJINGCHEMICALINDUSTRYPRESS,2007205ONAYOINFLUENCEOFPYROLYSISTEMPERATUREANDHEATINGRATEONTHEPRODUCTIONOFBIOOILANDCHARFROMSAFFLOWERSEEDBYPYROLYSIS,USINGAWELLSWEPTFIXEDBEDREACTORJFUELPROCESSINGTECHNOLOGY,2007,885235316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,2006,278835840LIHAIYING,ZHANGSHUTING,ZHAOXINHUAINFLUENCEOFPYROGENATIONTEMPERATUREOFSEWAGESLUDGEONPRODUCTDISTRIBUTIONJACTAENERGIAESOLARISSINICA,2006,2788358407王艳,张书廷,张于峰,等城市生活垃圾低温热解产气特性的实验研究J燃料化学学报,2005,3316265WANGYAN,ZHANGSHUTING,ZHANGYUFENG,ETALGASFORMATIONCHARACTERISTICSDURINGLOWTEMPERATUREPYROLYSISOFMUNICIPALHOUSEHOLDGARBAGEJJOURNALFUELCHEMISTRYTECHNOLOGY,2005,33162658SHENLILLY,ZHANGDONGKEANEXPPWEIMENTALSTUDYOFOILRECOVERYFROMSEWAGESLUDGEBYLOWTEMPERATUREPYROLYSISINAFLUIDIZEDBEDJFUEL,2003,824654729DOMNGUEZA,MENNDEZJA,PISLJJHYDROGENRICHFUELGASPRODUCTIONFROMTHEPYROLYSISOFWETSEWAGESLUDGEATHIGHTEMPERATUREJPYROLYSIS,2006,7721713210KARAYILDIRIMT,YANIKJ,YUKSELMCHARACTERISATIONOFPRODUCTSFROMPYROLYSISOFWASTESLUDGESJFUEL,2006,851498150811尹军,谭学军污水污泥处理处置与资源化利用M北京化学工业出版社,20051153YINJUN,TANXUEJUNTISPOSALANDRESOURCEUTILIZATIONOFSEWAGESLUDGEMBEIJINGCHEMICALINDUSTRYPRESS,200515312CABALLEROJA,FRONTR,MARCILLAA,ETALCHARACTERIZATIONOFSEWAGESLUDGESBYPRIMARYANDSECONDARYPYROLYSISJJOURNALOFANALPICALANDAPPLIEDPYROLYSIS,199740/4143345013李海英,张书廷城市污水污泥热解实验及产物特性J天津大学报,2006,395739744LIHAIYING,ZHANGSHUTINGPYROLYSISEXPERIMENTOFMUNICIPALSEWAGESLUDGEANDCHARACTERISTICSOFFRACTIONSJTRANSACTIONSOFTIANJINUNIVERSITY,2006,39573974414INGUANZOM,DOMNGUEZA,MENNDEZJA,ETALONTHEPYROLYSISOFSEWAGESLUDGETHEINFLUENCEOFPYROLYSISCONDITIONSONSOLID,LIQUIDANDGASFRACTIONSJJOURNALOFANALYTICALANDAPPLIEDPYROLYSIS,2002,6320922215THIPKHUNTHODP,MEEYOOV,RANGSUNVIGITP,ETALPYROLYTICCHARACTERISTICSOFSEWAGESLUDGEJCHEMOSPHERE,2006,6495596216AYLLNM,AZNARM,SNCHEZJL,ETALINFLUENCEOFTEMPERATUREANDHEATINGRATEONTHEFIXEDBEDPYROLYSISOFMEATANDBONEMEALJCHEMICALENGINEERINGJOURNAL,2006,1218596THEEFFECTOFTEMPERATUREONSLUDGEPYROLYSISPRODUCTSANDTHERELEVANTCHARACTERISTICSGAOXIANWEN1,SHANCHUNXIAN1,LIHAIYING2,HAOJIANXIN1,GAOHEMING11SCHOOLOFENERGYANDPOWERENGINEERING,JIANGSUUNIVERSITYZHENJIANG,JIANGSU212013,CHINA;2SCHOOLOFMETALLURGYANDENERGY,HEBEIPOLYTECHNICUNIVERSITYTANGSHAN,HEBEI063009,CHINAABSTRACTTEMPERATUREISAMAJORFACTORTOAFFECTSEWAGESLUDGEPYROLYSISPRODUCTSTHISEXPERIMENTAIMSTOFINDTHEOPTIMIZEDPYROLYSISTEMPERATUREEQUIPMENTUSEDISEXTERNALHEATFIXEDBEDREACTOR,200MMINDIAMETERTHEMATERIALISSEWAGESLUDGE,COLLECTEDFROMTANGSHANWESTSUBURBSEWAGEDISPOSALPLANTULTIMATETEMPERATURESRANKFROM250℃TO700℃,ANDATTHEBEGINNINGOFEACHEXPERIMENT,N2ISVENTEDINDATAOFTHEEXPERIMENTINDICATESTHATWHENMATERIALANDOTHERCONDITIONSAREUNCHANGED,PYROLYSISREACTIONCOSTSLESSTIMEASULTIMATETEMPERATUREINCREASES;MASSFRACTIONOFPYROLYSISGASANDPYROLYSISTARAREINCREASED;MASSFRACTIONOFCOKEISDECREASEDINDUSTRIALANALYSISOFPYROLYSISCOKEINDICATESTHATASTHEPYROLYSISULTIMATETEMPERATUREINCREASES,MASSFRACTIONOFVOLATILEISDECREASED;MASSFRACTIONOFFIXEDCARBONANDASHAREINCREASEDHEATVALUEOFPYROLYSISTARISAT1043MJKG1;HEATVALUEOFPYROLYSISCOKEISAT1024MJKG1KEYWORDSSLUDGEPYROLYSIS;CHARACTERISTICSOFSLUDGEPYROLYSISPRODUCTS;MASSFRACTIONOFPRODUCT;PYROLYSISULTIMATETEMPERATURE
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