（热能工程专业论文）城市污泥及其与煤混烧的燃烧特性研究.pdf

摘要 目前，城市污泥的处置问题是人类面临的一个重要挑战，城市的快速发展、 工业化进程的加快等因素使得城市污泥的产生量更是日益增大，它对我们所生 活的环境造成了极大的困扰。为了减少城市污泥对我们居住环境的影响，很多 学者和专家都密切地关注它。 首先，在城市污泥燃烧特性的热重试验研究中，分析了城市污泥的基本燃烧 情况，发现城市污泥的失重过程由四部分组成。此外对城市污泥的燃烧特性做了分析， 求解了城市污泥的动力学参数。 其次，分析了煤的基本燃烧情况，对燃烧特性做了分析，利用求解了煤的动力 学参数。 再次，本文对城市污泥的热重分析方法进行了研究，把污泥的失重过程分 为四个部分，在不考虑水分析出的情况下，污泥的其它三个过程( 即挥发分析 出和燃烧阶段，挥发分燃尽阶段，固定碳燃尽阶段) 与三个平行反应相对应建 立模型，然后利用多元回归得到动力学参数，从而可以得到污泥失重过程的标 化曲线。 最后，研究了城市污泥与煤及它们之间三种比例的混烧特性，研究结果表 明，城市污泥跟煤混烧后的综合燃烧性能很好，可以考虑把它们混合进行燃烧。 通过本文对城市污泥、兰坝煤以及污泥与煤混烧特性的研究，为污泥与煤 的混合燃烧技术提供一些有用的实验研究数据。 关键词：城市污泥；燃烧；热重分析；动力学 a b s t r a c t t h e r a p i dd e v e l o p m e n to ft h ec i t ya n dt h es p e e d i n go ft h ei n d u s t r i a l i z a t i o na d v a n c e m e n t m a k et h eq u a n t i t yo fs e w a g es l u d g ei n c r e a s i n g t h e s ef a c t o r sc a u s eg r e a tt r o u b l et oo u r l i v i n ge n v i r o n m e n t i no r d e rt or e d u c et h ei n f l u e n c eo fs e w a g es l u d g et ot h el i v i n g e n v i r o n m e n t ，m a n yl e a r n e r sa n de x p e r t sp a y c l o s ea t t e n t i o nt oi t f i r s t ，i nt h es t u d yo ft h ec h a r a c t e r i s t i co nc o m b u s t i o no fs e w a g es l u d g e ，t h eb a s i c c o m b u s t i o no fs e w a g es l u d g ei sa n a l y z e d t h ep r o c e s so fw e i g h t l e s s n e s so fs e w a g es l u d g e i sc o m p r i s e db yf o u rp a r t s b e s i d e st h e s e ，t h ec h a r a c t e r i s t i co fs e w a g es l u d g ei sa n a l y z e d t h ed y n a m i cp a r a m e t e r sa r eo b t a i n e db yu s i n gt h ed i f f e r e n t i a lm e t h o d s e c o n d t h eb a s i cc o m b u s t i o ns i t u a t i o no fc o a l i se x p l a i n e d a n dt h ec h a r a c t e r i s t i co n c o m b u s t i o no fc o a li sa n a l y z e d t h ei n t e g r a lm e t h o di su s e dt og e tt h ed y n a m i cp a r a m e t e r s o f c o a l t h en e x t ，t h em e t h o do ft h e r m o g r a v i m e t r i ca n a l y s i so fs e w a g es l u d g ei ss t u d i e d ，a n d t h ew e i g h t l e s s n e s sp r o c e s so fs e w a g es l u d g ei sd i v i d e di n t of o u rp a r t s ，w i t h o u tc o n s i d e r i n g t h ew a t e r , t h eo t h e rt h r e ep r o c e s s e si sc o r r e s p o n d i n gt ot h r e ep a r a l l e lr e a c t i o n s t h ek i n e t i c p a r a m e t e r sc a nb eo b t a i n e db yu s i n gm u l t i p l e a sar e s u l t , t h es t a n d a r d i z a t i o nc u r v e o ft h e w e i g h t l e s s n e s sc a nb eo b t a i n e d t h el a s t ，t h ec h a r a c t e r i s t i co nc o m b u s t i o no fs e w a g es l u d g ea n dc o a la n dt h r e ek i n d so f p r o p o r t i o nb e t w e e nt h e ma l er e s e a r c h e d t h e r e s u l ts h o w s l a tt h ec o m p r e h e n s i v e c o m b u s t i o np e r f o r m a n c eo ft h em i x t u r ei sg o o d t h eb u r n i n go fm i x t u r ec a l lb ec o n s i d e r e d t h r o u g ht h i sp a p e rp r o v i d es o m eu s e f u le x p e r i m e n td a t ao nc o m b u s t i o no fs e w a g e s l u d g ea n dc o a la n dm i x t u r eb e t w e e nt h e mf o rc o m b u s t i o nt e c h n o l o g y k e y w o r d s ：s e w a g es l u d g e ；c o m b u s t i o n ；t h e r m o g r a v i m e t r i ca n a l y s i s ；d y n a m i c s u 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：日期：驯d 年月动日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ) 作者签名： 圣犯 日期：加p 年，月阳日 导师签名： 日期：加年岁月2 乙日 1 1 课题研究背景 第一章绪论 城市污泥是城市废水处理和污水处理不可避免的副产品，主要来源于城市污泥处 理厂、街道沟道排水、生活污水污泥、给水厂污泥、城市水体疏浚污泥及城市建筑工 地泥浆等l l j 。 现代化城市的市政设施服务水平的日益提高以及城市人口的增加，使得城市生活 污水的排放量也日益增多，导致在城市污泥的处理过程中产生大量的污泥。就算污泥 的处理率很高，城市污泥的产量也是高于处理量的。 世界工业生产的发展和城市的发展，也是城市污泥的产量急剧增加的原因之一。 有数据显示 2 1 ，目前我国建成的4 0 0 余座城市污水处理厂的处理能力是 2 5 3 4 6 9 x 1 0 4 m 3 d ，而污水排放量却为为4 0 1 x 1 0 8 m 3 a 。目前的条件使许多污水处理厂 的实际处理量是小于理论处理量的。从长远看，污水处理厂和污水处理率还将会大幅 增多与提高，污泥产生量的增长速率也会增大。所以从城市污泥对环境的危害而言， 污泥的处理、利用应该是城市环境管理的重要对象。 城市污泥中含有c u 、h g 、p b 等重金属具有难以迁移、容易富集、危害性大等特 点，这是限制污泥农业利用的最主要因素p j 。虽然污泥中还含有大量不是严重的有毒、 有害元素，但它们在土壤中的长期积累会对土壤生态系统和土壤圈物质循环产生影 响。虽然如此，但是可以采取一些技术措施来控制重金属和有机污染物把污泥中含有 的丰富的营养元素及无机矿物成分进行资源化利用。 考虑污泥的成分复杂，它含有具有农用资源价值的有机质和营养元素，也有对环 境有害的重金属、病原菌、病毒和毒性有机物等物质，因此，如果对城市污泥处理不 当，必然会对我们生存的环境造成危害。它们的危害性主要表现在：侵占土地、容易 腐蚀交臭、容易污染土壤和地下水。此外，大量未经过处理的污泥如果任意堆放和排 放，不但会对环境造成新的污染，而且还会浪费污泥中的有用资源。因此，对于如何 使产量大、成分复杂的污泥经过科学处理后使其达到减量化、无害化、资源化和稳定 化，是我国乃至全世界环境界广泛关注的课题之一。 1 2 污泥处理概况及发展趋势 目前，全世界范围内对污水污泥的处理主要通过填埋、堆肥农用、焚烧和倾倒海 洋、露天搁置、热解等来实现。 ( 1 ) 填埋法 填埋法是一种主要的处置方法之一，处理能力大，工艺简单，适应性广，而且成 本低。但是污泥的不良物理特性会使污泥在填埋中散发出臭味，污染地下水。此外， 浪费宝贵的土地资源，在填埋前还需要进行科学的选址，以及在设计和规划的基础上 对场地防渗等处理，然后按严格的程序进行填埋操作和封场，要制定全面的管理制定， 定期对场地进行维护和检测【4 】。填埋法还易造成二次污染，浪费掉污泥中的有用能量。 ( 2 ) 堆肥农用法 污泥中含有氮、磷等有机物能够替代需要耗费大量能源而制造出的人工肥料重新 进入生物循环，但是污泥中的重金属会使接受施肥的土地和农作物受到污染，并且 通过植物和动物传输到人体中。于此同时，堆肥法处置还会对周围的环境释放出恶臭 和尘土【5 一。现在许多国家已经制定了限制污泥中重金属的浓度和污泥施肥使用频率 的一些相关法令。 ( 3 ) 填海法 填海处理是需要符合一定条件的，它需要依赖于一些细则和法令来执行。现在， 这种处理法在在一些国家将被废止，不再使污泥被投入大海。 ( 4 ) 焚烧法 污泥焚烧的优点是，将大体积的污泥焚烧后能使之变成小体积的稳定的灰烬，占 地面积变小，而且污泥中的有毒有机分子的结构可以通过高温还能被破坏掉；焚烧可 使污泥中的能量回收利用。但此法投资和运行的费用相对较高 9 a o 】。目前的技术能够 有效地控制气体的排放，而且在费用方面比其他的处置方法越来越有竞争力。此法还 能解决其他方法所不能解决的难题。因此，将城市污泥进行焚烧，是污水污泥处理中 最普遍采用的热处理方法。 ( 5 ) 热解法 城市污泥热解后可以转化生成四种产物，有的产物燃烧后可作为热源，剩余的能 量可以回收利用。 可以预见，随着污泥产量的持续增长，无论是发达国家还是发展中国家，在填埋 法、堆肥农用、填海法被禁止后，最佳的处理方法将集中在焚烧法和热解法上。 污泥的焚烧是污泥处置处理中采用的最为普遍的热处理方法。焚烧法具有优点： 体积跟重量将减小；可以实现较快的就地焚烧，不需要长距离运输和长期的储存；回 收来的能量还能用于发电和供热。目前，环境条件对废弃物处理提出了十分严格的要 求，对污水污泥的处理要求是使之达到减量化、资源化和无害化。因此，鉴于焚烧法 的突出优点，我们在处置城市污泥时可以选择此方法。 1 3 污泥燃烧的国内外研究现状 国内外对污泥燃烧的研究有专门针对污泥部分的，也有把污泥跟其他燃料混合燃 烧进行研究。 2 k o c hj 和k a m i n s k yw 【1 1 】通过实验指出，污泥含碳量的大幅度降低是由于挥发分 的析出导致的。 o g a d a t o m 和j o a c h i mw e r t h e r e 【1 2 】通过研究发现，在流化床内湿污泥颗粒的干燥、 挥发和焦炭着火燃烧过程在时间上是相互重叠的，在水蒸汽挥发、颗粒温度仍较低时 就有大部分的挥发分挥发。 s u n 和k o z i n s k i 1 3 】通过分析造纸污泥的燃烧过程发现，升温速率的增大或氧气浓 度的降低都将导致着火温度升高。 赵长遂【1 4 】对造纸污泥进行了试验发现，随着热解终温的降低，总失重量是减少 的。通过分析造纸污泥的热重曲线发现，在升温初期就有水分析出，在2 2 0 c 3 8 00 c 温度段失重率最大，3 4 0 左右时达到最大值，超过5 5 0 时失重量却很少。 温俊明、池涌掣”1 研究了城市污水污泥以三种不同的升温速率升温的燃烧特性， 并通过最小二乘法计算得出了燃烧动力学模型，模型的计算结果与实验结果吻合情况 较好。 张云都等人【1 6 】研究了污泥与煤粉的混合燃烧情况，对燃烧过程及特性进行了分 析，计算出污泥与煤粉按不同比例混合燃烧时的活化能e 与指前因子a 。通过研究发 现，污泥与煤粉按不同比例混合的燃烧特性与活化能e 和指前因子a 有着密切的关 系，混合的燃烧状况可通过活化能和指前因子来判断。 丘纪华和程纪东【1 7 】通过热重分析的得出污泥的焚烧过程由5 个阶段组成，即水 分的挥发、挥发分的低温挥发、中温挥发、高温挥发及焦炭的燃烧，并且求解了不同 阶段的反应化学动力学参数。 蒋旭光、严建华【墙j 研究后得到结论：床温较高有利于水分的蒸发和挥发分的析 出；与煤混烧后生成的气体产物均符合国家规定排放标准，并且建议在焚烧污泥时加 入石灰石以实现低污染排放。 曾庭华【1 9 1 的研究结论是：污泥本身的性质对结团有重要的影响，灰分和水分都 不能过高，否则影响结团；床温对结团也有十分重要的影响，最佳的床温是8 5 0 - 9 0 0 。 蒋旭光1 2 0 1 为了确定可以用于焚烧的污泥的类型，定义了“可用能”的概念( 即 燃料能量中可以用来产生蒸汽的能量) ，并且编制了可用能计算程序来选择辅助的燃 料以及它的添加量。 陈晓平【2 l 】的研究结果表明，含水率高的造纸污泥在没有辅助燃料的情况下是无 法再流化床焚烧颅内进行稳定的燃烧，直接燃用时，含水率必须低至4 0 ，而且还必 须加入辅助燃料才行。 陈晓平等人1 2 2 j 的造纸污泥流化特性试验研究结果表明，要想得到理想的流化， 造纸污泥必须与异比重的惰性物料配制成双组分床料。热态流化焚烧试验表明，造纸 污泥的水分对燃烧的稳定性有决定性的影响。 3 赵长遂等【2 3 】经过造纸污泥的焚烧试验探明了污泥的水分、流化速度等参数对污 泥特性的影响规律，认为在不添加脱硫剂的条件下，焚烧烟气中的n o x 、s 0 2 和n 2 0 排放浓度完全满足国家排放标准。 李爱民等人 2 4 1 在直径3 8 r a m 、高5 0 0 r a m 的小型流化床热态试验台上对污水污泥 进行了焚烧试验，讨论了不同参数( 水分、粒度、床温、停留时间) 对燃烬过程产生 的影响。 魏坤生等人【2 5 】研究了污泥混入煤后对锅炉受热面的一些影响，通过模拟燃烧发 现了当污泥的加入量占到混合后总量的2 时燃烧效果最好。 芮新红等人 2 6 1 对经机械脱水后的污泥按不同的比例在煤中，然后置于锅炉中进 行燃烧，通过计算探讨了污泥掺混比例的影响，认为污泥掺混比例不能大于6 ，否 则会影响到锅炉的安全稳定运行。 邱天等人口7 】通过对两种城市污水污泥进行了的焚烧试验分析了污水污泥的特性 以及造成流化床焚烧污泥床温分布的原因。 熊孟清等人1 2 8 l 研究了污泥含水率较低的情况下，混合燃烧的折算挥分跟最大混 烧率的关系，以及干燥控制区内干燥物料的含水率对相对处理量的影响。 孙昕等人【2 9 】通过在硫化床燃烧试验装置上进行的造纸污泥与烟煤的混烧实验， 探明了多个参数对燃烧性能和s 0 2 、n o x 等排放特性的影响规律。 李斌【3 0 】、余兆南1 3 1 1 都认为n o x 的排放浓度及燃料氮的转化率受污泥本身的性 质的影响，污泥的水分的增大，则n o x 的排放浓度会减少；床温和过量空气系数的 升高与增大会使n o x 的排放浓度也增大；李斌还建议把设计的污泥焚烧炉床温控制 在8 0 0 8 5 0 之间，并实施分段燃烧。 徐旭【3 2 1 燃烧试验结果认为通过焚烧法处理污泥一般不会造成重金属的污染。 方建华【3 3 】的焚烧试验结果表明，在炉内加入石灰石的情况下，采用循环流化床 焚烧干化污泥，烟气的排放能够达到我国生活垃圾焚烧污染的控制标准。 胡建红【3 4 】通过研究表明，工业污泥的着火特性和燃尽特性比较好，而综合燃烧 特性不是很高；工业污泥的含碳量越高，燃尽性能越差，但综合燃烧性能却越好；燃 烧放热发生在两个阶段，挥发分燃烧阶段燃烧剧烈，放热峰明显，活化能低，固定碳 燃烧阶段放热峰不明显，活化能高；混合后的污泥跟煤在燃烧过程中基本上还是保持 着各自的着火特性和燃尽特性，混合试样多组分的燃烧特性可用各个单一组分试样的 燃烧特性进行叠加来表示；污泥试样的燃烧反应区间随着压力的增大向低温区移动， 各特征温度均呈下降趋势，综合燃烧特性指数有所提高；污泥试样燃烧反应区间随着 升温速率的增大向高温区移动，各特征温度均有所增大，但综合燃烧特性愈好。 唐汝江1 3 5 j 通过研究污泥与煤的混合燃烧发现：污泥与煤在燃烧特性方面有区别， 混合燃烧的特性是两者共同作用的结果，在低温段( 2 0 0 - - 5 0 0 ) 混合试样燃烧主要 受污泥中挥发分的影响，在高温段( 5 0 0 8 0 0 ) 混合试样的燃烧主要受煤中固定碳 4 的影响；污泥的掺入可以改善煤的着火性能；当污泥掺混量 4 0 ，随着污泥的掺混 量的增加，剩余固体也增加；当污泥的掺烧量为2 0 时，最大失重速率数值最大；当 污泥掺烧量超过2 0 ，最大失重率随着污泥的掺混量的增加而减小。 刘渊源等人f 3 6 】把污泥的燃烧失重过程分为四个阶段：水分析出阶段、挥发分析 出阶段、挥发分燃尽阶段、固定碳燃尽阶段；动力学参数a i 、e i 、1 1 i 受升温速率对的 影响不大。 顾立峰等人【37 】通过研究发现，城市污泥与煤的混合试样跟煤相比，活化能得到 了提高，着火温度提前，综合燃烧性能却下降；在混燃过程中，煤和城市污泥基本上 保持了各自的特性，煤比污泥表现得更为明显。 徐朝芬等人1 3 研利用热重红外联用的方法对煤、污泥及其两者的混合物进行了升 温速率为1 5 c m i n 的燃烧情况，分析了燃烧特性参数，结果表明：混合试样和煤相 比，着火温度上升了，综合燃烧性能下降；在混燃过程中，煤和污泥基本上保持了各 自的特性，而煤的燃烧表现得更为明显。 刘亮等人【3 9 j 研究的污泥热重曲线存在两个明显的失重区域；在污泥与煤混燃过 程中，煤和城市污泥基本上保持了各自的挥发分析出特性，混合试样的燃烧曲线处于 污泥和煤粉单独燃烧曲线之间。 苏胜和李培生 4 0 l 研究发现，污泥的燃烧特性与煤的有很大的不同，混合后的燃 烧特性是它们共同所致，而且在某些方面混合后的燃烧特性比污泥或煤的单独燃烧时 佳。 陆继东等【4 l 】由t g 曲线研究了不同来源污水污泥的燃烧特性后认为，污水来源的 不同导致了污泥燃烧特性的差异。 f o n t 等1 4 2 j 研究了7 种不同来源污泥的燃烧特性后发现，经过厌氧消化处理的污 泥存在两个燃烧失重温度段，未经过厌氧消化处理的只存在一个低温失重温度段。 m o t e r o t 4 3 l 等人将经过不同干燥方式处理后的3 种污泥与无烟煤进行了混烧试 验，并对试验所得的t g 和d t g 曲线进行了比较分析，得出了污泥与煤混烧时燃烧 特性参数的变化规律。 近年来，不少人对动力学模型进行了研究，其中李斌等人m 巧1 】采用分段方法建立 动力学模型，c h a o h s i u n gw u 等人【5 2 - 5 4 , 1 5 建立的是连续的由若干平行反应组成的模 型，利用最d , - - 乘法求解动力学参数，文献 5 5 1 和文献 5 6 1 也是建立连续的由若干平 行反应组成的模型，但是动力学参数采用的是微分法或积分法求解。廖艳芬【5 7 】等人 采用不同的反应模型进行拟合，推断出污泥燃烧过程中两个d t g 峰体现出不同的反 应机理，基于分析所得的污泥燃烧机理，采用四个独立的平行反应模型模拟污泥的燃 烧过程，拟合曲线与实验数据吻合良好。 目前，对于像煤这样的一般的简单组分燃料，无论是通过试验研究还是通过理论 分析都不难提出其燃烧模型，因而也容易获知其燃烧特性。但是城市污泥属于复杂组 5 分燃料，其组分具有高度的复杂性、多样性和不均匀性，其燃烧特性也势必十分复杂， 所以无法从理论的角度建立关于污泥燃烧特性的精确数学模型，而不是其组分燃烧特 性的简单线性叠加。我们要是能够提出基于污泥组分的污泥热解预测模型就可以方便 地预测污泥的热解特性。 由上述文献可以看出，国外在污泥焚烧方面的课题开始得比我国早，还开发了先 进的污泥焚烧技术。对我国目前来说，应当争取尽快地推广污泥的焚烧处理方法。 1 4 本文研究的主要内容 本论文研究的主要内容是对取样于城市污水处理厂的污泥及其与兰坝煤混烧的 燃烧特性进行研究，为城市污泥的最终处理寻求一条合理的途径，以便达到节约能源、 提高企业经济效益和保护环境的目的，此外，对污泥的动力学进行了研究并建立了相 应的反应动力学模型。具体内容如下： 1 通过对实验得到的城市污泥燃烧t g 、d t g 曲线进行分析，求出反应动力学 参数，寻求能够描述城市污泥燃烧反应的机理方程。 2 研究兰坝煤的燃烧特性以及求出反应动力学参数，寻求能够描述兰坝煤燃烧 反应的机理方程。 3 对城市污泥反应动力学模型进行研究，建立连续、完整的热解和燃烧反应动 力学模型。 4 研究城市污泥和煤粉按不同比例掺混后着火温度和综合燃烧特性指数等参数 对混合物的燃烧特性的影响。 6 第二章城市污泥燃烧特性的热重试验研究 污泥通过焚烧可分解污泥中有害的物质、可回收能量以及焚烧灰可回收利用，而 且减容量大、处理速度快，受到了人们的关注和重视。但是污泥的组成成分十分复杂， 而且污泥时高水分、低热值的劣质燃料，若是完全以污泥作为燃料进行燃烧，不一定 能够稳定着火燃烧。本章主要通过对污泥单独燃烧的热重曲线进行研究，对污泥燃烧 的基本特性进行了研究。 2 1 城市污泥的热重实验研究 2 1 1 实验装置 本实验采用的仪器为德国耐驰公司生产的同步热分析仪s t a4 0 9p g p c ，将热重 分析t g 与差热分析d t a 或差示量热扫描d s c 结合为一体，在同一次测量中利用同 一样品可同步得到热重与差热信息。采用顶部装样结构，操作简便，炉体采用真空密 闭设计，炉体打开时样品支架即与天平脱离，有利于对天平的保护，气氛为由下往上 的自然流向，只需要很小的流量即可带走分解产物，载气中产物气体浓度高。其的支 架传感器与坩埚底部直接接触，测温准确。 主要技术指标：( 1 ) 温度范围：室温1 5 0 0 c ；( 2 ) 温度重现性：1 度；( 量热重 现性：3 ，天平灵敏度：2 9 9 。 2 1 2 实验方法 热重实验采用m 5 x 1 5 r a m 氧化铝坩埚，在空气气氛下进行，起始温度为室温， 升温速率为4 0 m i n ，加热到1 0 0 0 。 2 1 3 实验试样 实验所用污泥采自长沙某处理厂的脱水车间。将污泥自然干燥7 天后，放入恒温 箱在1 0 5 ( 2 干燥数小时，碾磨，试样粒度过1 4 0 目筛。干燥污泥样品的工业分析数据 见表2 1 。 表2 1 试样的工业分析 由上表试样的工业分析结果可以发现，试验选取的城市污泥水分质量分数 为6 2 3 ，灰分质量分数为3 8 5 8 ，挥发分质量分数高达5 0 1 8 ，而固定碳质 7 量分数仅为5 0 1 ，污泥水分，灰分，挥发分含量都很高，而固定碳含量低，具有 典型的高灰分、高挥发分和低固定碳含量的特点。 2 2 燃烧实验结果分析 2 2 1 城市污泥的基本情况 图2 1 为4 0 。c m i n 速率下的t g 和d t g 曲线图。由图中的t g 和d t g 曲线可以 看到，城市污泥有四个失重区间，尤其可以观察到第二个和第三个区间有明显的失重。 第二个失重区间由1 7 0 至4 1 0 ，可认为是挥发分的析出阶段，在2 9 0 时有一个 峰值，反应速率为1 1 8 3 8 1 6 m i n 。第三个失重区间由4 1 0 至6 5 0 ，可认为是挥 发分的燃烧阶段，在5 3 0 时有这一区间的最大燃烧速率( 9 9 2 0 m i n ) 。第一个失 重区间( 室温至1 7 0 ) 和第四个失重区间( 6 5 0 至7 8 0 ) 分别对应着水分的析出 阶段和固定碳的燃烧阶段。结合工业分析，固定碳的含量低，使得固定碳的燃烧不是 很明显，又由于城市污泥的挥发分比较高，在前面阶段燃烧时消耗了大量的氧气，阻 碍了碳与氧气的结合，直到挥发分燃烧结束温度达到很高时才与氧发生反应，所以我 们看到峰值就很小。 2 4 0 0湖8 1 0 0 0 t e m p e r a t u r e ( ) 图2 14 0 m i n 升温速率f 的城市污泥t g 和d t g 曲线 2 2 2 城市污泥的燃烧特性分析 在燃烧特性实验中，污泥的燃烧特性以t g 、d t g 燃烧分布曲线来反映，其特性 参数有以下1 5 8 f5 9 1 ： ( 1 ) 着火温度t i ，。着火温度是燃料着火性能的主要指标，着火温度越低， 表明燃料的着火性能越好。 本文着火温度t i 的求法采用的是t g d t g 法，如图2 2 所示。 8 阳 一ule、零一m)上d ( 2 ) 燃尽温度死，本文定义实验实验试样的失重占约总失重的9 9 时所对 应的温度为燃尽温度。 ( 3 ) 最大失重速率( 最大燃烧速率) ( 叫出) 懈，m i n ，d t g 曲线上的峰值点 所对应的反应过程中最快的反应速率即是最大燃烧速率。 2 0 0 4 0 06 0 0 8 0 01 0 0 0 t e m p e r a t u r e ( c ) 图2 2 着火温度不恿图 ( 4 ) 最大失重速率所对应的温度，。 ( 5 ) 可燃性指数o ，g = ( d w d t ) , 。r , 2 ，它主要反映燃烧前期的反应能力，该 值越大，可燃性越好。 ( 6 ) 稳燃性指标g ，g = ( d w d t ) 一r , k ，稳燃性指数g 反应着火的难易程度， 又体现着火后的燃烧情况。 按照以上定义可以求得城市污泥在4 0 。c m i n 速率下的燃烧参数，如表2 2 所示。 表2 24 0 。c m i n 速率下城市污泥的燃烧特性参数 2 3 城市污泥的动力学分析 2 3 1 反应动力学方程的求解原理1 1 对于固体以及炭的气化和焚烧反应的动力学均可用热重法来研究。 假设在无穷小的时间间隔内，根据质量作用定律知，反应速率可表示为： 譬：矿( 口) ( 2 1 ) 9 ： o 之 1 t 弗 p m m 阳 一uie、零一。卜d 式中f ( a ) 为与燃烧机理相关的函数，它的大小取决于反应机理函数 f ( a ) = ( 1 一口) ” ( 2 2 ) 把( 2 2 ) 式代入( 2 1 ) 式，则有 警= k ( 1 川r ( 2 3 ) 讲 式中：k 为反应速度常数；口为反应过程中的失重率；刀为反应级数；f 为反应时间。 由a h r m e u i s ( ；可仑尼乌斯) 定理有： i n k = m ( a ) 一意 ( 2 4 ) 整理后可以得到： 一旦 k = a e r r ( 2 5 ) 式中：彳为频率因子，m i n 1 ；e 为活化能，k j m o l ；r 为气体常数，8 3 1 4 j t 0 0 1 k ： 丁为反应温度，k 。 将( 2 5 ) 式代入( 2 3 ) 式，则可得到： - - d a ：a e 音( 1 一口) 一( 2 6 ) 。一一 一j 记升温速率为，则有： = i d t ( 2 7 ) 讲 将式( 2 7 ) 代入式( 2 6 ) ，则可得到： 粤：要p 一寺( 1 一口) 一 ( 2 。0 ) 一= 一f i _ 一，z - i 二， d t 8 、。 、。 式( 2 8 ) 即为本文建立的反应动力学模型。 由微分法，对式( 2 8 ) 两边取自然对数后得到： h ( 筹- a ) _ ) = l n 争旦r t ， l ( 1”j 、 在式( 2 9 ) 式中，不同时刻的a 可通过t g 曲线得出，同一反应区域来说，a 、e 、 n 都是定值。因此，我们以1 厂r 作为自变量、l n ( d a d t ) ( 1 一口) ”】作为因变量作图得 到一条直线，y 轴的截距为i n ( a 函) ，斜率即为e r ，这样，通过直线斜率和截距 就可得到燃烧动力学参数e 和a 。 现令k = 百d a = l 万d t ，则式( 2 9 ) 变为下式 i n k ：b 兰一旦 ( 2 1 0 ) 1 0 按照上述方法就可以求出燃烧动力学的各个参数。 在以上各公式中，将口定义为污泥试样在热重曲线上不同时间的相对失重率或称 转化率，转化率对时间的导数即为反应速率，转化率的求算过程如图2 3 所示。 垂 7 0 加 3 0 2 0 04 0 06 0 08 0 0l o o o t e m p e r a t u r e ( ) 图2 3 失重率a 的定义 图2 3 中的曲线为污泥燃烧过程中的失重曲线，w o 为某一阶段反应前污泥试样 的初始质量，w 为反应过程中某一时刻( o 物料的质量，w ，为某一阶段反应结束时物 料的残余质量，则某一阶段t 时刻的失重率定义为： 口：坠二竖(211)ij- 口= 一 l z w o w f 2 3 2 城市污泥动力学参数求解 由图2 1 升温速率4 0 m i n 的城市污泥t g 曲线和d t g 曲线图。通过对t g 曲 线和d t g 曲线分析可以发现，在污泥的热重曲线有四个失重区域：室温1 7 0 为水 分析出阶段，1 7 0 , - 4 1 0 为挥发分析出阶段，4 0 0 , - 6 5 0 为挥发分燃尽阶段，6 5 0 7 8 0 为固定碳燃尽阶段。 本文污泥动力学参数求解的温度段划分跟大多数人的不同，他们以d t g 曲线的 峰值为基点，分别对峰前和峰后求拟合曲线。本文从整个峰出发，是对整个峰进行线 性拟合求解，即不通过对峰前和峰后求拟合直线获得污泥动力学参数。以下是本文的 污泥动力学参数求解。 在挥发分析出阶段，选取1 7 0 至4 1 0 ( 2 之间均匀分布的2 4 组数据，然后求解不 同的l n ( d a d t ) f ( o ) 和l 厂r 。表2 2 和表2 3 为求解动力学参数用实验数据及其计算过 程。 表2 2 挥发分析出阶段求解动力学参数的实验数据 表2 3 挥发分析出阶段不同反应级数时i n ( d o d t ) f ( a ) 数值 1 2 续表2 3 挥发分析出阶段不同反应级数时i n ( d c d t ) f ( a ) 数值 l 厂r 为横坐标，l n 【( d o d 如刀为纵坐标对不同的n 值进行直线拟合e 图24 是 挥发分阶段拟合的图样，通过拟台得出拟合方程和相关系数，如表2 4 。 n c i r 圈2 4 挥发分析出阶段拟台直线图 表2 4 挥发分析出阶段不同反应级数的拟合方程及相关系数 由表2 4 中可以看出t 当n = 1 ，相关系数最大所阻用坟o ) = 1 - a 作为该段的反应 机理方程是最适合的。因此求解方程y - - 68 4 4 2 4 6 4 4 39 8 6 7 4 x 可求出活化能为： e - 5 35 7 5 k j m o l ，频率因子a = 37 5 3 8 x 1 0 4 m i n 。 挥发分燃尽阶段跟挥发分析出阶段的求解方法类似，如图25 和表25 。 削2 5 挥发分燃烧阶段拟台直线圈 表2 5 挥发分析h 阶段不同反麻级数的拟合方程及相关系数 一鏊 一 if一_dil】u_ 从表2 5 看出，当n = l 时，相关性最好，所以用坟a ) = 1 a 作为挥发分析出阶段的 反应机理方程是最合适的。因此根据拟合方程y = 7 8 2 2 8 2 7 9 5 5 0 3 8 8 9 3 x ，可求出活化 能为：e = 7 9 4 0 k j m o l ，频率因子a = 9 9 8 7 8 1 7 1 0 4 m i n 1 。 根据以上分析结果，对4 0 。c m i n 升温速率下的动力学参数进行整理，得到结果 如下表2 6 。 表2 6 污泥燃烧动力学参数表 2 4 城市污泥的燃烧机理 当动力学参数和n 确定后，就可以根据塑：兰p 音( 1 一口) 一和得到挥发分析出阶 d t 8 、 段和挥发分燃烧阶段的动力学方程，如表2 7 示。表2 8 为常见的动力学反应机理函 数。 表2 74 0 。c r a i n 污泥燃烧动力学方程 表2 8 常用动力学反应机理函数6 l 】 对比表2 8 可知，在本文试验条件下，4 0 c m i n 升温速率下的城市污泥在挥发分 析出阶段和挥发分燃尽阶段的反应级数都是1 ，燃烧反应皆为随机成核，反应速率由 随机核化过程控制，每一个颗粒上只有一个反应核。结果表明一级反应机理方程可较 好地描述本试验中城市污泥的燃烧行为。 2 5 本章小结 在本章中主要对4 0 m i n 升温速率下的城市污泥热重实验曲线进行了研究，通 过研究发现城市污泥有四个失重区间，分别对应着水分的析出阶段、挥发分的析出阶 段、挥发分的燃烧阶段以及固定碳的燃烧阶段。 本文还对4 0 m i n 升温速率下的城市污泥燃烧特性进行了研究，在此升温速率 下它的着火温度为3 2 0 ，燃尽温度为7 2 3 ，在5 3 0 时失重速率达到最大，其值 为9 9 2 0 m i n ，可燃性指数c b 为9 6 8 7 5 x l o 一。 根据城市污泥的失重情况，对挥发分析出阶段和燃烧阶段利用微分法求解了城市 污泥的动力学参数，挥发分阶段的活化能和频率因子分别为5 3 5 7 5 k j m o l 和 3 7 5 3 8 x 1 0 4 m i n ，挥发分燃烧阶段的活化能和频率因子分别为7 9 4 0 k j m o l 和 9 9 8 7 8 2 x1 0 4 m i n ，用试算法得到的反应级数皆为l ，用f i a ) = 1 o 作为这两阶段的反应 机理方程是最合适的。对照常用动力学反应机理函数，城市污泥在这两个阶段的燃烧 反应皆是随机成核，反应速率由随机的核化过程控制。在每一阶段的求解中，跟大多 数的求解过程划分不同的是，本章并没有以失重峰为基点按峰前和峰后划分，而是以 整个失重峰作为一个整体进行研究。 1 6 第三章燃煤的热重研究 3 1 燃煤的热重实验研究 3 1 1 实验装置 本实验采用北京光学仪器厂生产的w c t 一2 型热天平，能够对微量的试样同时 热重测量和差热分析，适宜于对物质的分解、融化、升华等现象和多种参数的测定， 因此被应用于很多基础科学研究领域及行业。 w c t 一2 型热天平能够测量的温度范围从室温至1 5 0 0 ，适合以0 1 c m i n - - 4 0 m i n 的速度调温，可以根据需要采取升温、保温或降温的程序方式，程序亦可按 十段分别设置。其工作原理图见图3 1 。 7 图3 1w c t - - 2 型热天平的工作原理 3 1 2 实验方法 本次测试中采用5 x 1 5 m m 氧化铝坩埚，测试条件为：升温速率为1 0 c m i n ，试 样质量1 0 a ：0 1 m g ，试验测温范围为5 0 。c , - - , 1 0 0 0 。c ，在空气介质中进行实验。 实验试样的t g 测量：将装好实验试样的坩埚放在天平一臂上方的样品座上，利 用电炉对其加热。如果实验试样在某一温度下由于分解、化合、吸附、升华、脱水等 原因而发生质量改变时，天平将失衡，与天平横梁刚性连接的光栏产生位移。利用光 1 7 电位移传感器及时检测出失衡信号，热重测量系统自动改变平衡电流，使天平恢复平 衡。平衡线圈中的电流变化量正比于试样质量变化量，将此电流变化量通过采样电阻 输送到微型计算机，即得到t g 曲线的采样数据。 实验试样的d t g 测量：试样发生质量变化时，变化过程中各点的变化速率是不 同的，将t g 信号送入微分放大器进行微分，再送入计算机即可得到反映试样质量变 化速率的d t g 曲线的采样数据。 温度t 的测量：将测温热电偶的热电势经过热电偶冷端补偿后送入计算机即可 得到温度t 曲线的采样数据。 3 1 3 实验试样 实验所用试验煤样为兰坝煤，其工业分析见表3 1 。 表3 1 试样的工业分析 由上表试样的工业分析结果可以发现，兰坝煤主要是固定碳含量比较高， 为4 6 2 9 ，几乎占了一半，灰分和挥发分的含量分别为3 1 3 9 和2 0 3 2 。 3 2 燃烧实验结果分析 3 2 1 基本情况分析 图3 2 为兰坝煤在1 0 m i n 速率下的t g 和d t g 曲线图。由图中的t g 和d t g 曲线可以看到，兰坝煤只有一个明显的失重区间，而且这个区间还非常的宽，从3 3 0 至8 5 0 ，这个温度段失重量约占了总失重量的9 6 5 9 7 ，兰坝煤的燃烧反应主要发 生在此温度段内。由图上可以看出，兰坝煤在实验开始时t g 曲线几乎是水平变化， 说明失重很少，在失重前段主要是水分的蒸发，水分蒸发完后失重没什么变化；直到 3 3 0 c 左右，t g 曲线才开始往下走，而且t g 曲线的坡度比较大，在此温度段内，t g 曲线由9 7 3 4 8 8 3 减少到了7 6 1 5 2 9 5 ，减少了2 1 1 5 9 8 8 ，对照兰坝煤的工业分析 数据后认为这是挥发分析出和燃烧所致，兰坝煤中挥发分的析出过程跟挥发分的燃烧 过程没有明显的界线，而叠加在一起了，挥发分的急剧燃烧使得反应速率增大，当温 度达到5 3 0 时失重率达到最大，数值为2 9 0 5 4 4 m i n 。当温度超过5 3 0 ，实验试 样仍在继续失重，t g 曲线继续往下走，温度到达8 5 0 左右时失重减少缓慢，曲线 趋于平衡状态。由于兰坝煤中占主要部分的是固定碳，挥发分比固定碳少，因此，当 挥发分在5 3 0 c 左右很快反应结束时，固定碳中的碳能够跟氧结合发生反应，由t g 曲线的坡度可知固定碳的反应剧烈程度没有挥发分的高，这是因为挥发分相比碳比较 1 8 容易着火燃烧。 1 寥 2 4 0 2 0 o t e m p e r a t u r e ( ) 图3 2l o c m i n 升温速率下兰坝煤的t g 和d t g 曲线 3 2 2 燃烧特性分析 参照上一章对城市污泥燃烧特性参数的求法，获得了表3 2 的兰坝煤燃烧特性参 数。 表3 2l o c m i n 速率下兰坝煤的燃烧特性参数 由表2 2 可见，兰坝煤在4 5 5 c 左右时开始着火，当温度达到5 3 0 。c 时，失重率 达到最大，每分钟失重为2 9 0 5 4 4 ，计算得到可燃性指数g 值为5 4 8 2 1 3 x 1 0 一，稳 燃性指数g 值为4 9 7 0 1 0 x 1 0 。 3 3 动力学分析 3 3 1 反应动力学方程的求解原理f 6 1 1 根据质量作用定律知，反应速率可表示为： 警= 帅) 式中 ) 为与燃烧机理相关的函数，它的大小取决于反应机理函数 f ( a ) = ( 1 一口) 一 1 9 ( 3 1 ) ( 3 2 ) 一uie、爨一ni上o 将( 3 2 ) 式代入( 3 1 ) 式，则有 譬：k ( 1 一口) 一 ( 3 3 ) 出 7 、。 式中：k 为反应速度常数；口为反应过程中的失重