污泥-煤复合燃料的成型干化工艺研究

张 辉,胡勤海*,滕 玮,刘 苗,李 霞 (.浙江大学环境生态工程研究所, 浙江 杭州 30058；.复旦大学化学系,上海 00438)

污泥-煤复合燃料的成型干化工艺研究

张 辉1,胡勤海1*,滕 玮2,刘 苗1,李 霞1(1.浙江大学环境生态工程研究所, 浙江 杭州 310058；2.复旦大学化学系,上海 200438)

为实现污泥的能源化利用,采用成型干化工艺制备污泥-煤复合燃料,研究了不同污泥含水率,添加比例,冷压成型压力等因素对复合燃料成型的影响,以及不同温度条件下复合燃料的干化特点.结果表明较好的工艺条件为:污泥初始含水率 60%～70%,成型时固含70%～80%.10～30MPa范围内成型压力对落下强度影响较小.制备得到的成型燃料的落下强度可达到采用商用黏结剂制备得到的型煤水平.混合成型后的污泥复合燃料,和污泥相比明显有利于水分的扩散和挥发,可在室温及不高于 100℃条件下可以得到快速干化,实现污泥脱水及能源化利用的目的.

污泥；复合燃料；干化

城市污泥通常包括70%～80%的水分和20%～30%的固含,干基热值范围为 5844～19303kJ/kg[1],具有良好的潜在能源化利用价值[2].

目前,污水及污泥中能源的利用思路和方法主要有厌氧消化产甲烷[3]微生物燃料电池技术[4-5]、气化[3]、热解[6]、焚烧[2]等,但目前都存在能耗平衡,利用成本等问题.

污泥能源化利用的主要障碍在于污泥的高含水率,难以实现泥水分离.干化污泥或者直接燃烧时蒸发水分的能耗会抵消甚至高于污泥本身具有的热值,污泥含水率降低到 30%才能实现能量平衡和有效利用[7].基于污泥的高含水率无法直接燃烧应用,近年来一些研究将污泥和其他具有热值的物质混合成型制备复合燃料[8-11].

直接将污泥和煤混合成型,然后干化燃烧,具有以下几方面的优点:(1)可改善复合燃料的挥发分,使其易着火;(2)污泥的高含水率在混合干燥后可以增加复合燃料的孔隙,促进空气深入燃料内部,燃烧完全,从而降低炉渣的含碳量;(3)可以在成型过程中利用污泥中的含水,使复合燃料更易均化和成型;(4)污泥具有一定的黏结效果,可作为黏结剂使用;(5)污泥可以在燃烧过程中提供一定热值,节约煤炭用量.但目前,采用污泥和煤直接制备复合燃料以及干化的研究还较少.

本文分别采用含水率60%、70%、80%的城市污泥和煤直接混合、成型干燥,得到污泥-煤复合燃料,考察了初始污泥含水率,成型时固含,成型压力对样品的落下强度的影响,并对成型燃料的干燥特征进行了分析,以期为污泥能源化利用并解决污泥处置问题提供一种简单可行的解决途径.

1 材料与方法

供试污泥:取自杭州七格污水处理厂剩余污泥,含水率 80%,干基热值 9024J/g.为得到所需含水率污泥,将取得的剩余污泥在45℃条件下烘干至所需含水率.

煤来自某煤厂,干基热值 28941J/g.在 110℃条件下干燥至恒重,粒度不大于 3mm.黏结剂取自某型煤厂.

实验步骤:将一定含水率污泥和煤按所需比例混合,搅拌均匀,采用冷压成型方式,在一定压力下成型,模具为直径20mm的圆柱体,成型样品为直径20mm,高约20mm的圆柱体.样品成型后分别在室温(25℃)、50,75,100℃等温度条件下干燥,每隔一定时间间隔称重至恒重为止.

失重速率计算:

式中:r,mt,mt+1,m0,m分别指失重速率,t时的样品质量,t+1时间点的样品质量,初始成型样品的质量,样品干燥至恒重时的质量.

将恒重后的样品进行落下强度的检测[12].

2 结果与讨论

2.1 成型条件对落下强度的影响

落下强度是复合燃料的重要指标,一定强度的燃料样品便于保存和运输,并在热利用(如气化炉等)过程中保持稳定的骨架结构.影响复合燃料强度的因素主要有污泥的初始含水率,污泥的添加比例,成型压力等.

2.1.1 初始污泥含水率对复合燃料强度的影响 分别采用初始含水率为 60%、70%和 80%的污泥和煤进行混合均化,得到固含为60%、70%和80%的混合原料,在不同压力下成型,得到复合燃料样品,室温下干燥至恒重后进行落下强度测定,实验结果如图1所示.

图1 成型条件对落下强度的影响Fig.1 Effect of molding condition on drop shatter

采用初始含水率为 80%的污泥直接和煤混合制备得到的样品,落下强度在90%左右,而采用初始含水率 60%和 70%的污泥制备得到的固含为70%、80%的样品,落下强度多数在95%以上,如图1(a)、图1(b)所示,说明初始污泥含水率的降低及污泥用量的增加有利于成型燃料黏结效果的提高.污泥经过一定的干化后还可以增加干基污泥的添加量.如采用 60%、70%初始含水率的污泥和煤配制固含 80%的复合燃料,和采用初始含水率 80%的污泥相比,干基污泥的添加量分别增加了17%和7%.

2.1.2 成型时固含对落下强度的影响 由图1(c)可以看出,采用各梯度含水率的污泥制备得到成型时固含 60%的样品,表现出较差的落下强度性能.此时,成型压力的提高有利于样品落下强度性能的提高,但均低于成型时固含为70%、80%的样品.

由图 1(a)和图 1(b)可以看出,采用初始含水率70%及60%的污泥,成型时固含为70%、80%时,样品的落下强度特征差别较小.

污泥中水分的存在有利于污泥和煤二者的混合均化,而在复合燃料成型的过程中,污泥本身的黏结性能使得成型的复合燃料具有一定的强度.采用较低含水率的污泥,实质是增加了污泥干基的添加量,增加了“黏结剂”的用量,从而在一定程度上提高成型样品的强度.

成型样品干燥后水分挥发,可以在样品内部形成一定的孔隙,有利于复合燃料充分燃烧.而当成型样品水分含量过高时,又不利于保持较高的强度.实验发现,采用含水率 60%、70%的污泥和煤混合,制备得到固含 70%、80%的复合成型燃料干燥后,落下强度可达到95%以上.

2.1.3 成型压力对落下强度的影响 由图 1(c)可以看出,成型后固含为60%的样品,其跌落性能明显低于其他样品,成型压力对该组样品的落下强度有一定影响.随着成型压力的增大,样品的落下强度升高.同时还可看出,相同压力条件下,样品表现出随着成型时固含升高而落下强度升高的规律趋势.

对于污泥初始含水率70%和80%,成型后固含70%或80%的样品而言,成型压力对落下强度的影响不大,如图 1(a)和图 1(b)中所示,且并不表现出压力越大,效果越好的趋势.成型压力变化对样品的落下强度影响不大,相同原料配比条件下,成型样品的落下强度相似.

2.1.4 和型煤黏结剂效果的对比 由图 2可以看出,复合燃料样品与采用商用型煤黏结剂制备的型煤落下强度区别不大,甚至部分条件下复合燃料样品的落下强度略好.采用污泥添加部分黏结剂制备所得样品的落下强度亦无明显变化.

采用污泥作为黏结剂,可以节约部分用水,并提供一定热值,也实现了对污泥的减量化处理和资源化利用.

单独采用型煤+黏结剂成型时,成型时固含较高,不能制备固含 70%,80%的样品,实验中较适宜的固含为 88%.在实际的型煤制备中,通常需要添加粘土、固硫剂等,起到提供成型的骨架、固硫等作用.污泥具备这些功能特点,其中的无机组分能起到固硫等作用[13],还可以提供热值,制备得到的复合成型燃料具有多方面的优点.

图2 污泥黏结效果与商品黏结剂效果的比较Fig.2 Comparison of binding effect between sludge and the commercial binder

2.2 干化过程的失重规律

由图3(a)可见,在室温(25℃)条件下,开始24h是样品失重的主要阶段.固含为 60%、70%的样品中70%的水分在该阶段失去,而固含80%样品中80%的水分在该阶段失去.之后,失重速率减慢,样品质量72h后至恒重.

如图3(b)、图3(c)和图3(d)所示,50,75,100℃时,70%固含样品失重至恒重所需时间分别为 11,7.5,4h.80%固含样品干化所需时间略短一些.

图3 不同温度下复合燃料的干化特点Fig.3 Drying characteristic of sludge–coal combined fuel samples at different temperatures

由图 3还可以看出,干化速率在开始阶段较快,后来慢慢变缓,超过70%的水分的干化都是在样品完全干化所需时间的前 1/3阶段完成的,之后干化效率逐渐降低.成型样品的初始固含高,则干化初期失水速率会较高.

在干化过程中,干化速率整体呈递减的趋势,但会出现分阶段的恒速失重过程,在图 3(b)中表现较为明显.即,干化速率很可能是下降-平衡-下降的过程,最终达到失重平衡.

干化过程是水的扩散和蒸发过程.通过污泥和煤的混合,污泥分散为更小的颗粒,增大了与空气的接触界面,有利于水分向空气传质过程的发生[14-15].此外,单独的污泥干化过程中会出现表面结块,阻碍内部水分的挥发,出现“泥芯”,而混合后样品污泥颗粒变小,有利于污泥颗粒内部水分的扩散,避免了“泥芯”的出现,也有利于实现污泥的彻底干化[15-16].因此,污泥-煤复合燃料样品和单独污泥样品的干燥相比[17-18],其失水速率较高,混合可以加速污泥的干化.可以根据条件,利用太阳能或锅炉烟气余热[18-19],实现污泥复合燃料的快速干化.

3 结论

3.1 采用成型-干化工艺制备污泥-煤复合燃料,污泥在混合成型燃料中可以起到黏结剂,固硫剂等作用,同时可以利用污泥的热值,实现污泥的资源化利用目的.

3.2 污泥含水率以及样品成型时的固含会对样品的落下强度有较大影响.较佳的复合燃料成型条件为,污泥初始含水率 60%～70%,成型时固含

70%～80%.成型压力在10～30MPa范围内对样品的落下强度影响不大.

3.3 和单独的污泥干化相比,成型复合燃料在室温及不高于100℃条件下具有更快的干化速率,可以根据条件常温或利用烟气余热等实现复合燃料的干化,避免污泥干化工艺本身所需的能耗.

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The molding and drying characteristics of sludge-coal combined fuel.

ZHANG Hui1, HU Qin-hai1*, TENG Wei2, LIU Miao1, LI Xia1(1.Institute of Environmental and Ecological Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China；2.Department of Chemistry, Fudan University, Shanghai 200438, China).China Environmental Science, 2013,33(3)：486～490

Sludge-coal combined fuel was produced through moulding-drying process in order to use sludge as fuel. The influence of initial water content, amount of addition of sewage sludge and moulding pressure on characteristics of combined fuel, and drying characteristics at different temperatures was studied. The results showed that, the optimization process conditions were: sludge initial moisture content 60%～70%, and 70%～80% of solid content in moulded sludge-coal. The drop shatter had been less influenced by moulding pressure at range of 10～30MPa. Combined fuel prepared from sludge had good strength of drop shatter, which was the same as commercial briquette level. Compared with sewage sludge, the moulded sludge-coal could be dried more easily and quickly at temperature of room or lower than 100℃. Thus, the rapid dehydration of sewage sludge as well as the use as a potential energy was achieved.

sewage sludge；combined fuel；drying characteristic

X705

A

1000-6923(2013)03-486-05

2012-07-12

浙江省科技厅科研项目(NO.200723032)

* 责任作者, 副教授, qhhu@zju.edu.cn

张 辉(1982-),男,河南三门峡人,浙江大学环境与资源学院博士研究生,主要从事固体废弃物的处置与资源化利用研究.发表论文7篇.