污泥和神府煤共燃热重量分析

李鹏飞+郭建忠

摘 要：城市污水污泥的处理已成为困扰各国的环境问题，焚烧法和热解法具有资源化和能源化等优点，被认为是两种有前途的热化学处理方法，在发达国家广泛应用。随着经济的迅速发展，污泥的处理处置越来越受到关注。因此，污水污泥的高效洁净焚烧已成为我国城市污水污泥处理亟需研究的课题。通过热重法研究了三种不同污水污泥样品（A，B和C），一种陕西神府地区烟煤和污泥煤混合物的燃烧在25-800℃的温度范围内以10℃/min进行动态运行。污泥主要由两种有机成分组成不同反应性；反应性较低的部分在更接近煤的温度下分解和燃烧，尽管通常略微降低。对于煤泥混合物，检测不到组分之间的相互作用。从实验结果计算出Arrhenius动力学参数，将该过程作为一系列连续的第一个参数订单反应。由于少量添加污泥（10wt%混合），煤的反应性几乎没有变化。50wt%共混物显示有两个不同的反应区域。在较低温度区域（约T<350℃），共混反应性与污泥相似在较高的温度区域类似于煤（T>350℃）。

关键词：污泥；煤炭；复合燃料；热重量

中图分类号：X705 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）31-0104-03

引言

污水污泥与煤混合物的燃烧结合了其他处置方法中没有的许多优点。这些优点包括污泥体积的大幅减少以及有毒有机化合物和病原体的热破坏。此外，这些方法允许回收利用这种材料的能量替代不可再生燃料。然而，共燃过程可能有一些缺点，主要有NOx（由于污泥的氮含量高），微量元素和二恶英的排放[1]。污泥是污水处理过程中产生的一种特殊的泥水混合物，成分十分复杂，它是由微生物形成的菌胶团与其吸附的有机物和无机物组成的集合体，除含有大量的水分外，还含有难降解的有机物、挥发性物质、重金属离子、寄生虫卵、病原微生物等，且其有机物含量高，容易腐化发臭，如不加妥善处理和处置，直接排放会给水体、土壤和大气造成严重污染，破坏生态环境[2]。由于不同于煤的污泥（挥发性物质，灰分和固定碳）的技术性能，预计燃烧特性的显着差异。这可能对燃烧效率有重要影响。对TG谱的研究有助于提高这一过程的知识，从而建立最佳的操作条件来发展。因此，有几位作者研究了不同类型污泥的燃烧，以及通过热重分析污泥对煤的添加效果[3-5]。

这项研究的目的是通过热重分析研究一种烟煤，三种污水污泥及其混合物的燃烧，评估混合组分之间的相互作用。此外，进行简单的动力学分析以适应实验结果，并验证污泥加入煤中时的反应性变化。

1 试验

来自我国陕西神府地区（C煤）的一种煤（高挥发性烟煤）以及三种类型的污水污泥样品并位于三个城市污水处理厂（A，B，C）。A和B污泥样品的稳定化和调理分别通过加入石灰和FeCl3来制备。第三种污泥（C）是从没有氮气消除阶段的植物获得的，其稳定化和调理分别通过加入石灰和有机聚电解质进行。从这些材料中制备6个污泥-煤混合物，其干燥污泥含量为10wt%和50wt%。表1为燃料物质分析数据。

用MettlerTA-4000热重分析仪进行热重燃烧运行分析。使用大约10mg的干燥样品，粒度为200μm，测试试验的再现性。测定在静态空气气氛中进行，使用温度从环境升高至800℃的加热速率为10℃/min进行试验。

2 實验结果及分析

实验结果显示神府地区烟煤的典型燃烧特性，其主峰包含在304-640℃之间，最大重量损失率为529℃，热分解和挥发物损失以及焦化气化的结果[6]。此外，观察到净增重是由于之前的氧化学吸附燃烧开始，污泥样品包括多个峰，并且根据污泥的特性而变化。C污泥的形态是不同于A和B样本，其行为类似。污泥燃烧间隔可分为两个阶段。对于A和B污泥，第一个从约160-360℃延伸，显示单峰，重量约减少58%。在360-640℃的阶段，剖面显示存在与不同来源的有机物有关的几个小的重叠峰，总体重约减少42%。在C污泥的情况下，两个阶段分别从145℃延长到380℃，从380℃延伸到565℃，相当于总重量损失的56%和44%（如图1）。每个混合物的曲线位于参考材料的曲线之间，可以清楚地了解到污泥和煤对这些峰值曲线的影响。因此，尽管显示出一些差异，10wt%化合物表现与煤类似，例如化学吸附阶段的消失，以及最大重量损失率的轻微降低。此外，对于50wt%共混物，可以看到两个不同的阶段，在第一阶段显示了污泥，在第二阶段显示了主要是煤。在污泥和50wt%共混体系中，第一阶段的峰值主要归因于空气与挥发物质和反应性结构的反应，而第二阶段的反应是由于更复杂结构的反应。在较早的工作中，来自相同废水处理厂的污泥样品的差分热分析表明，根据两个TG曲线，存在两个放热峰。其他研究者也获得了类似的污泥燃烧结果。从图中的TG可以看出，如图1所示，对于A和C共混物，观察不到共混组分之间的相互作用，因为从共混组分的加权和计算的实验和计算的两个分布是一致的。然而，对于B共混物，可以看出可能与组分之间的某种程度的相互作用有关的微小差异。这些结果与其他作者获得的结果不一致，他们观察到混合燃烧过程中的重要相互作用。类似地，如在其他文献中，在这些样品的热解的情况下，没有观察到共混组分之间的相互作用。

mi和mi∞分别是每个时刻的i分数的未燃烧质量和峰末端的未燃烧质量（在DTG中的两个重叠峰的情况下，mi∞在两个峰的交点处被确定），并且k应该遵循Arrhenius方程。

对于大多数样品来说，常规样品的动力学参数以及B污泥，煤及其混合物的Arrhenius图，都获得了合理的燃烧数据。在Arrhenius图中，对于每种类型的污泥及其与煤的混合物，有两个广泛的线性区域，其中污泥是最具反应性的物质。

对于煤，显示了具有两个不同的线性间隔的典型的Arrhenius图，其具有380-570℃和570-650℃的线性度。在第一个子区间，全过程的表观能量激活为61.5kJ/mol，涉及的煤转化为脱挥发分，挥发物点燃和表面反应。第二个子区可能主要与焦炭燃烧有关，其活化能为182.3kJ/mol。这些值与其他作者在空气流下进行TG测定所获得的值完全一致。对于这个子间隔，发现的值似乎表明反应在化学控制下发生，因为这样一个值接近来自Asturian烟煤的焦炭的其他研究者报告的数据。对于50wt%的共混物，活化能几乎等于污泥和煤的活化能（C污泥最大偏差约9%）和第二区线性（最大偏差30%较高的温度）。后者表明，在第一个燃烧阶段，只有污泥被燃烧，而在第二个燃烧阶段，煤与少量的污泥燃烧（在煤燃烧间隔中反应的总质量的24%），这仅略微改变了煤的动力学参数。在较高的温度下，只有煤被燃烧。另一方面，10wt%的混合物表现为与煤具有类似反应性的单一材料，对煤燃烧的动力学参数具有不可忽视的影响。

3 结束语

在烟煤和污水污泥样品的燃烧特性（DTG）之间，发现了几个可理解的差异，主要是由于材料的“等级”差异。一般情况：（1）污泥中有机物燃烧区域的转变温度低于对应煤层的温度；（2）这些区域的温度范围比煤更为广泛；（3）这些区域对于污泥（两个或多个峰）比对于煤（一个峰）更为复杂。污泥-煤混合物显示了污泥和煤之间的中间行为，这可能是从重量组成的混合物中预测。

动力学分析结果表明，一阶反应与Arrhenius定律材料解释相当及其混合物发现的不同失重阶段。对于10wt%的共混物，反应性类似于煤的反应性，而对于50wt%的共混物，可以区分两个不同的反应活性区域。在较低温度区域T<350℃，由于仅在该材料中发生脱挥发分，共混反应性与污泥相似。在较高的温度区域T>350℃，混合反应性接近于煤，由于在煤燃烧区间，煤中燃烧的比例较低的污泥有机物质。因此，能量活化值分别与每个燃烧阶段的污泥和煤相似。

参考文献：

[1]刘亮.污泥混煤燃烧热解特性及其灰渣熔融性实验研究[D].中南大学，2011.

[2]张勇.我国污泥处理处置现状及发展前景[J].中国资源综合利用，2014（10）：23-26.

[3]朱增银，周金金，高蓉菁，等.污泥燃料化技术研究进展及展望[J].环境科技，2013（04）：51-54.

[4]陈晓平，顾利锋，韩晓强，等.污泥及其与煤混合物的热解特性和灰熔融特性[J].东南大学学报（自然科学版），2008（06）：1038-1043.

[5]张磊.煤掺混污泥的混烧特性及动力学分析[D].重庆大学，2013.

[6]王川红，郭晓镭，龚欣，等.粒度、湿含量对神府烟煤煤粉流动性参数的影响[J].华东理工大学学报（自然科学版），2008（03）：377-382+456.endprint