（热能工程专业论文）工业污泥热解和燃烧及动力学特性实验研究.pdf

重庆大学硕上学位论文中文摘要 摘要 工业污泥是指工业废水经处理后，沉淀分离出的污浊物质。不同行业产生不 同的工业污泥。在环保标准日益提高的现代社会，污泥处理已经逐渐成为一个重 要的课题和研究领域。对污泥进行资源化处理迫切要求研究人员对污泥展开进一 步的研究。无害化、资源化的污泥处理成为了近几年来国内外科技研究的热点。 污泥热处理技术具有污染少、减容减量程度大、并可同时以热源或气源形式部分 回收工业污泥中能量的特点，因而被认为是对污泥处理最有效途径之一。因此， 加大对污泥热处理的理论和试验研究，特别是工业污泥的热解、燃烧及其动力学 特性研究。为污泥的燃烧技术开发奠定理论基础，具有重要的工程应用价值及学 术意义。 本文在研究了工业污泥干燥特性的基础上，利用热重法研究了三种典型工业 污泥单一及按不同质量比混合后的混合工业污泥的热解特性和机理以及燃烧特 性和机理，对其着火特性、挥发分析出特性、燃尽特性、综合燃烧特性、反应放 热性能特性以及燃烧机理和动力学特性进行了研究，计算出不同温度阶段的动力 学方程和燃烧动力学参数。同时研究了升温速率、压力、粒径和金属化合物对工 业污泥热解特性和燃烧特性的影响。 研究结果表明，污泥的比表面积和干燥温度对干燥特性有重要影响。污泥的 比表面积增加后，干燥速度变快，干燥时间变短，同时收缩效果也变好。过热干 燥与饱和干燥显示出不同的特点，过热干燥干燥速度快，干燥时间短，而且过热 干燥不存在平衡含湿量，干燥结束时的形状也与饱和干燥不同。同时同一样品在 不同的升温速率下，其质量、失重率、含水率和热量等曲线变化趋势有明显不同。 研究结果还表明，工业污泥的种类、试样粒径、升温速率、压力和掺混一定 量的金属化合物对工业污泥热解过程和热解特性都有较大影响。升温速率、压力、 粒径的减少以及掺混一定量的金属化合物，工业污泥的各热解特征温度均有不同 程度的减少。同时工业污泥单独热解时的d t g 曲线的各热解峰在混合物质热解 曲线上基本上有所体现，其热解过程并没有因为试样的混合而显著改变。 研究表明工业污泥着火和燃尽特性比较好，而综合燃烧特性不是很高；其着 火温度与挥发分含量以及成分有关，而含碳量越高，燃尽性能越差，但综合燃烧 性能越好；燃烧放热主要分为挥发分燃烧和固定碳燃烧两个阶段，前者燃烧剧烈， 有明显的放热峰且活化能较低，后者放热峰变小，活化能变高；混合工业污泥中 的单一组分在燃烧过程中基本保持各自的着火和燃尽特性，在热重分析中的燃烧 特性可以用各个单一组分试样的燃烧特性进行叠加来表示。金属化合物对污泥的 重庆大学硕士学位论文中文摘要 燃烧能起到一定的催化作用，能够改善工业污泥的着火性能，提高工业污泥的燃 烧放热量和燃尽水平。不同金属化合物对于污泥燃烧的催化机制和作用有所差 异。实验中各种金属化合物促进污泥燃烧过程的作用次序由大到小依次为： k 2 c 0 3 、n a c i 、a 1 2 0 3 。随着压力的增大，污泥试样燃烧反应区间向低温区移动， 各特征温度均呈下降趋势，综合燃烧特性指数有所提高：两随着升温速率的增大， 污泥试样燃烧反应区间向高温区移动，各特征温度均有所增大，但综合燃烧特性 愈好。 关键词：工业污泥，热解，燃烧，动力学，热重分析法 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t t h ei n d u s t r i a ls l u d g em e a n st h ei n d u s t r i a ls e w a g ep r e c i p i t a t e st h ed i r t ym a t e r i a l i s o l a t e da f t e rd e a l i n gw i t hi ni n d u s t r y d i f f e r e n tt r a d e sp r o d u c e dd i f f e r e n ti n d u s t r y s l u d g e i nm o d e ms o c i e t yt h a te n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o ns t a n d a r dr a i s ed a yb yd a y , s l u d g ed e a lw i t h ，b e c o m eo n ei m p o r t a n ts u b j e c ta n dr e s e a r c hf i e l dg r a d u a l l ya l r e a d y c a r r yo nt h et r e a t m e n to fr e c y e l et r e a t m e n tr e q u i r e sr e s e a r c h e r st ol a u n c ht h er e s e a r c h i nt h ef u r t h e rt ot h es l u d g eu r g e n t l y i tb e c o m e st h ef o c a lp o i n tt h a td o m e s t i ca n d i n t e r n a t i o n a ls c i e n c ea n dt e c h n o l o g yh a sb e e ns t u d i e di nr e c e n ty e a r st h a tt h em u do f i n n o x i o u s n e s s ，r e c y c l et r e a t m e n ti s d e a l tw i t h t h es l u d g eh o tt r e a t m e n tt e c h n o l o g y h a v el i t t l ep o l l u t i o n ，h o l d i n gd e c r e m e n ti n t e n s i t yh e a v y , a n dc a np a r tr e t r i e v ee n e r g yo f t h es l u d g ei nt h ef o r mo f h e a to rg a ss o u r c ea tt h es a m et i m e ，t h e r e f o r ec o n s i d e r e dt ob e o n eo ft h em o s te f f e c t i v ew a y si nd e a l i n gw i 出t h es l u d g e s ow es h o u l ds t r e n g t h e nt o t h et h e o r ya n de x p e r i m e n t a ls t u d yo fs l u d g eh e a tt r e a t m e n t , p a r t i c u l a r l yi t sp y r o l y s i s ， c o m b u s t i o na n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s s l u d g ec o m b u s t i o nt e c h n o l o g yf o rl a y i n ga t h e o r e t i c a lf o u n d a t i o ni sa ni m p o r t a n tv a l u ei ne n g i n e e r i n ga n da c a d e m i cs i g n i f i c a n c e b a s e do nd e e ps t u d y i n gd r yc h a r a c t e r i s t i co fi n d u s t r i a ls l u d g e ，t h ec h a r a c t e r i s t i c s o fi g n i t i o na n db u r n o u t , g e n e r a lc o m b u s t i o np e r f o r m a n c ea n dr e a c t i o ne x o t h e r m i c p e r f o r m a n c e ，a n dm e c h a n i s ma n di t sk i n e t i cp a r a m e t e r so f p y r o l y s i sa n dc o m b u s t i o no f t h r e et y p i c a li n d u s t r ys l u d g ea n dt l l e i rm i x t u r e sw e r ed o n eb yu s i n gt h e r m o g r a v i m e t r i c a n a l y s i s a tt h es a m et i m e ，t h ee f f e c t so fi n d u s t r i a ls l u d g es p e c i e s ，h e a t i n gr a t e s ，g a s p r e s s u r e ，s a m p l ep a r t i c l ed i a m e t e ra n dm e t a l l i cc o m p o u n d so nt h ec o m b u s t i o na n d p y r o l y s i sc h a r a c t e r i s t i c so f i n d u s t r i a ls l u d g ew e r ea n a l y z e d t h es u r f a c ea r e aa n dd r yt e m p e r a t u r eo fs l u d g eh a v ei m p o r t a n ti n f l u e n c eo nd r y c h a r a c t e r i s t i c a st h es u r f a c ea r e ao fs l u d g ei n c r e a s e s ，t h ed r yp a c eb e c o m e sf a s t , d r y t i m es h o r t e n e d ，a tt h es a l n et i m ei t ss h r i n ki n f l u e n c ec h a n g ew e l lt o o t h eo v e r h e a t e d d r yd e m o n s t r a t e sd i f f e r e n tc h a r a c t e r i s t i c sw i t hs a t u r a t i o n , i ti s f a s ta n dh a v en o t e q u i l i b r i u mt h a ti n c l u d ew e tq u a n t i t y 、) v h e r e a si t sf o r m sw h e nd r yf i n i s h e di sd i f f e r e n t w i t ht h es a t u r a t i o nt o o t h es a l l l es a m p l e , u n d e rd i f f e r e n th e a t i n gr a t e s ，c u r v e so fi t s q u a l i t y , w e i g h t l e s s n e s sl e a d i n g ，m o i s t u r ec o n t e n ta n dh e a t i n ga r eo b v i o u s l yd i f f e r e n ta t t h es a m et i m e t h er e s u l t so f s t u d ys h o w st h a ti n d u s t r i a ls l u d g es p e c i e s ，s a m p l ep a r t i c l ed i a m e t e r , h e a t i n gr a t e s ，g a sp r e s s u r ea n da g i t a t i n gac a t a i na m o u n tm e t a l l i cc o m p o u n d sh a v e i 重庆大学硕士学位论文英文摘要 m o r ei n f l u e n c et ot h ep y r o l y s i sc o u r s ea n dc h a r a c t e r i s t i co fi n d u s t r i a ls l u d g e a st h e h e a t i n gr a t e s ，g a sp r e s s u r ea n ds a m p l ep a r t i c l ed i a m e t e rd e c r e a s e so ra g i t a t i n gac e r t a i n a m o u n tm e t a l l i cc o m p o u n d s ，t h ep y r o l y s i sc h a r a c t e r i s t i ct e m p e r a t u r eh a v er e d u c t i o ni n v a r i o u sd e g r e ei na l lo fi n d u s t r ys l u d g e a tt h es a n l et i m e , t h ec u r v eo fd t go f s i n g l e i n d u s t r i a ls l u d g ei sb a s i c a l l yr e f l e c t e dt os o m ee x t e n tb yi to fm i x e di n d u s t r i a ls l u d g e ， a n dt h ep y r o l y s i sc o u r s eo f i n d u s t r i a ls l u d g eh a sn o tc h a n g e dn o t a b l y t h er e s u l t sa l s o i n d i c a t et h a tt h ei g n i t i o na n dc a r b o nb u r n o u tc h a r a c t e r i s t i c so f i n d u s t r ys l u d g ei sb e t t e r , w h e r e a si t sg e n e r a lc o m b u s t i o np e r f o r m a n c ei sn o tb e t t e r i n a d d i t i o n ，t h ei g n i t i o nt e m p e r a t u r eh a sr e l a t i v ew i t ht h ep o r t i o na n dc o m p o n e n to f v o l a t i l e s ，w h e r e a sc a r b o nb u r n o u tc h a r a c t e r i s t i e st u r nw o l s eb u tg e n e r a lc o m b u s t i o n p e r f o r m a n c et u r nb e t t e ra st h ep o r t i o no ff i x e dc a r b o ni n c r e a s e s t h ec o m b u s t i o no f g i v i n go u th e a ti n c l u d e sv o l a t i l eb u m sa n df i x e dc a r b o nb u r n st w op h a s e s ，t h ef o r m e r s p e a ko fe x o t h e r m i ei so b v i o u sa n d t h ea c t i v a t e de n e r g yi sl o w , w h e r e a st h el a t t e r sp e a k o fg i v i n go u th e a ti sn o to b v i o u sa n dt h ea c t i v a t e de n e r g yi sr e l a t i v eh i 曲w h a t sm o r e ， t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ep a r e n ti n d u s t r i a ls l u d g e sk e e pt h e i ro w n i n d i v i d u a li g n i t i o na n dc a r b o nb u r n o u tc h a r a c t e r i s t i c si nb l e n dc o m b u s t i o n i ng e n e r a l ， t h eb e h a v i o ro fam i x t u r eo fi n d u s t r i a ls l u d g ei nt g ac a nb ee x p r e s s e db ys i m p l e c o m b i n a t i o no fi n d i v i d u a lc o m p o n e n t so ft h ei n d u s t r i a ls l u d g em i x t u r e s m e t a l l i c c o m p o u n d sh a v ec a t a l y t i ce f f i c i e n c yo ni n d u s t r i a ls l u d g ec o m b u s t i o nt 0s o m ec o n t e n t ， i m p r o v i n gi g n i t i o na n db u r n o u tc h a r a c t e r i s t i c so fi n d u s t r i a ls l u d g ea n db o o s t i n gi t sh e a t r e l e a s ec a p a c i t y c a t a l y t i ce f f e c t so f d i f f e r e n tm e t a l l i cc o m p o u n d so ni n d u s t r i a li n s l u d g e c o m b u s t i o ne x i s ts o m ed i f f e r e n c e s t h er e l a t i v ea c t i v es e q u e n c eo fc a t a l y s t st o c o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fi n d u s t r i a l s l u d g e i sd e s c r i b e d硒f o l l o w s ： k 2 c 0 3 n a c i a 1 2 0 3 i na d d i t i o n ，w i t hi n c r e a s i n gt h ep r e s s u r e , t gc u r v e so fi n d u s t r i a l s l u d g em o v et ot h el o w e rt e m p e r a t u r ez o n ea n dh a v et h el o w e rt h ei g n i t i o na n db u r n o u t t e m p e r a t u r e , a n di t sg e n e r a lc o m b u s t i o np e r f o r m a n c ec a nb ei m p r o v e dm u c hm o r e w i t hi n c r e a s i n gt h eh e a tr a t e ，t gc u r v e so fi n d u s t r i a ls l u d g em o v et ot h eh i a h e r t e m p e r a t u r ez o n ea n dh a v et h eh i g h e ft h ei g n i t i o na n db u r n o u tt e m p e r a t u r e , b u ti t s g e n e r a lc o m b u s t i o np e r f o r m a n c ec a na l s ob ei m p r o v e d k e y w o r d s ：i n d u s t r i a ls l u d g e ，p y r o l y s i s ，c o m b u s t i o n ，k i n e t i c s ，t h e r m o g r a v i m e t r i c a n a l y s i s i v 重庆大学硕士学位论文 主要符号表 单位 s m g m g m g k k 主要符号表 v i 说明 转化率 时间 试样初始质量 试样最终质量 时间t 时的质量 反应速率常数 挥发分释放特性指数 d t g 曲线的峰值 挥发分释放特性指数 d t g 曲线的峰值温度 ( d w dt ) 很= i ，2 对应的温度区问 温度 表观活化能 频率因子 加热速率 着火温度 燃尽指数 燃尽温度 综合燃烧特性指数 反应放热量 比例常数 试样与参比物之间的温差 热曲线的基线形成的温差 ：曼 一 k k k一一kk， 勰。乳w k。r。kt e妒l瓯h。娟。虾 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重麽太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：场悼豇 签字日期：加多年偿月j 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重麽太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重麽太堂可以将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、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( v ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 学位论文作者签名：诩磁红 导师签名：爿卜匏煜 签字日期：细厂年卢月j 日签字日期：朋夕年，j 月r 日 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 论文研究背景及课题来源 工业污泥是指工业废水经处理后，沉淀分离出的污浊物质。不同行业产生不 同的工业污泥。目前，主要的工业污泥有电镀污泥、炼钢炼铁污泥、炼氧化铝污 泥( 赤泥) 、建筑污泥、油田与炼油厂含油污泥、化工医药污泥、造纸污泥、印染污 泥、制革污泥等。在我国，随着城市化快速发展，城市污水排放量也在不断增加， 据不完全统计，全国不同规模、不同程度的城市污水厂有1 0 0 多座，污水排放量约 为4 4 7 4 x 1 0 7 m 3 天。每天所产生的污泥量约为污水处理量的0 5 - 4 ) 1 0 ，即为 ( 2 x 1 0 5 4 1 0 6 ) m 3 5 ，数量十分惊人【1 1 。 工业污泥中一般都含有大量的病原菌、寄生虫、致病微生物，以及砷、铜、 铬、汞等重金属和二恶英、放射性核素等难以降解的有毒有害物质。由于污泥含 水率高、体积大，给堆放和运输带来困难。工业污泥如果处理不当或不规范处理， 随处堆放或直接填埋，将沿着污泥一土壤一农作物一人体的路径迁移，会对地下水、 生态环境等造成二次污染，如果开展综合利用，则是宝贵的二次资源。随着全世 界工业生产的发展，人们和社会对生态环境保护意识的增强，环境法规中污水排 放标准的迅速改进，工厂普遍设置符合标准的废水处理设施，各种工业污泥的产 量日益增加。在环保标准日益提高的现代社会，污泥处理已经逐渐成为一个重要 的课题和研究领域，因此，妥善、科学地处理工业污泥已引起人们的极大关注， 将其无害化和资源化处理必将成为国内外科技研究的重点。 工业污泥处理与处置的目的主要有4 个方面即；减量化、稳定化、无害化和 资源化。污泥处理的一般流程是：原污泥一浓缩一消化一脱水一卫生填埋或焚烧 等。国内外污泥处理的方法，一般用浓缩、消化、脱水、干化有效利用( 农、林用) 填埋、焚烧等，或某几个组合处置，是世界各国广泛采用的方法。卫生填埋面临 土地资源紧缺和群众抗争等压力，堆肥化也有许多实际的困难和尚未解决的问题。 同时，随着资源短缺的加剧，人们不得不找新的能源，污泥由于其有机物、营养 元素含量高而受到越来越多的关注。因此，对污泥进行资源化处理迫切要求研究 人员对污泥展开进一步的研究。无害化、资源化的污泥处理成为了近几年来国内 外科技研究的重点。污泥热处理技术具有污染少、减容减量程度大、并可同时以 热源或气源形式部分回收工业污泥中能量的特点，因而被认为是对污泥处理最有 效途径之一。因此，就我国目前的污泥处理状况而言，应当加大对污泥热处理的 理论和试验研究，争取尽快推广污泥的热处理方法。热重分析是用于研究固体化 学反应特性的重要方法，它广泛的应用于固体反应特性的研究。因此通过热重实验 重庆大学硕士学位论文1 绪论 来了解单一和混合工业污泥的热解和燃烧及动力学特性和它们的关键影响因素。 有助于进一步认识工业污泥的热解和燃烧过程，以期为污泥热解和焚烧设备的设 计、运行以及工况的组织提供指导和必要的理论基础。 1 2 污泥几种主要处理方法及比较 污泥的处理过程是每个污水处理厂在污泥处置之前必不可少的环节。污泥经过 了一定的减容和稳定化的处理，此时的特性已经较未经预处理的污泥改善了许多。 这些经过处理的污泥其最终的处置途径多种多样，一般应该根据污泥的预处理方 式和最终的目的来决定。目前最常用的污泥处置方法有：土地填埋、投海、农用、 热处理等。 1 2 1 土地填埋 土地填埋具有工艺简单、成本低、适用于多种类型的污泥，可单独填埋，亦 可与生活垃圾混合填埋等优点。这种方法虽然简单，但一是要占用大量上地，浪 费土地资源；二是污泥中含有的营养物质使大量病杂菌繁衍，导致污泥霉变，污 染环境及地下水源。而且随着污泥产生量的与日俱增，适宜填埋的场地越来越少。 据美国环保局估计，在今后的2 0 年内，美国6 5 0 0 个填埋场将有5 0 0 0 个关闭，有 的州己经无场地可供填埋。在欧洲，2 0 0 0 年后填埋在污泥处置中占的比例会迅速 降低，到2 0 0 5 年将降低到1 0 左右，所填埋的物质仅限于有机物含量小于5 的 废弃物。在我国污泥填埋也面临场地不足的压力，有的填埋场地己被关闭，有的 即将填满。而且，填埋并没有最终消除污染，只是起到了一个延缓的作用【l 】。 1 2 2 海洋倾倒 海洋倾倒是利用永体自净和水的稀释作用进行的一种污泥处置方法。这种方 法简便、易行，被沿海国家所利用。但是，越来越多的证据表明，污泥的海洋倾 倒会破坏海洋脆弱的生态环境，美国纽约市每年约有1 2 0 万立方米的污泥投海， 4 0 多年来，使5 1 8 平方公里的海洋变成“死海”，造成污泥厌氧分解，污染海区 的环境卫生和感官性状。海底的重金属浓度提高了1 0 0 - 2 0 0 倍。欧盟国家也规定 在1 9 9 6 年以后禁止向海洋倾倒污泥【2 】。 1 2 3 污泥农用 污泥中含有大量植物需要的有机物和矿物质，因此将处理后的城市污泥用于农 田作为肥料和土壤添加剂是最佳的处理方式之一。这些有机物质直接通过生物循 环被植物所吸收，代替肥力强劲的合成肥料。以城市污泥为例，含氮2 - 6 ，含 磷1 - 4 ，含钾o 2 0 4 ，污泥中氮和磷的含量都比农家肥高。另外污泥中还 含有硼、锰、锌等微量元素，能够改良土壤结构，增加上壤肥力，促进作物的生 长。有实验表明，用消化污泥作为肥料，土壤的非毛细管孔隙率、离子交换能力、 2 重庆大学硕士学位论文l 绪论 有机质、总含氮量以及土壤的结构都有明显改善p 】。国内外研究己普遍认为，污泥 可作为土壤改良剂和中等肥料利用于农业。 但是，由于污泥中重金属的沉积和有机物污染问题，用于农业堆肥的污泥必 须被有选择地使用。p o l e t s c h 对德国的6 8 0 0 多种污泥样品做了实验，实验结果同 普通的农用土壤进行了对比，结果表明，无限地将污泥应用于土壤之中可能导致 在农用土地中重金属的积聚。所以污泥在农用时需要注意：( 1 ) 污泥的重金属( p b 、 z n 、c 、h g 、n 等) 有毒有机物是否会造成土壤污染或通过生物链进入人体；( 2 ) 污 泥中的寄生虫、病原体是否会对环境造成影响；( 3 ) 污泥中的氮、磷浓度过高是否 会引起周围环境和地下水的污染等【4 1 。另外，盐份以及有机物污染问题也并未从根 本上解决。目前对于污泥在农业和林业方面的应用有了严格的限定，为了规范污 泥的利用，欧洲各国和美国均指定了相应的标准：如e c d i r e c t i v e ( 8 6 2 7 8 e e c ) 和u s 5 0 3 条例。我国政府也规定对于运用于农业的污泥必须符合农业部制定的农 用污泥中污染物控制标准( g b 4 2 8 4 8 4 ) 的要求p j 。 1 2 4 污泥热化学处理 污泥的热化学处理方法( 污泥受热发生化学反应使之稳定、减容的方法) 具有无 害化彻底，处理迅速，占地相对较少，处置后污泥稳定并可利用其所含有机物实 施能源回收等优点，在污泥处置中的地位已逐渐增强，被认为是很有前途的污泥 处置方法【4 1 。污泥可采用多种热化学处理方式以达到减容化、稳定化、无害化和资 源化，主要方式包括污泥的焚烧和热解。 污泥焚烧是指不低于6 0 0 c 的温度下，使污泥中的有机组分与氧气发生反应生 成稳定的无机物，该方法最大的优点是可以迅速和较大程度的使污泥减容，并且 能够满足越来越严格的环境要求和充分地处理不适宜于资源化利用的部分污泥。 通过焚烧可利用污泥中丰富的生物能发电并使污泥达到最大程度的减容。焚烧可 将吸附水和内部水全部除去，焚烧过程中所有的病菌、病原体均被杀灭、有毒有 害的有机残余物被氧化分解，焚烧的产物焚烧灰可做生产水泥的原料，还可直接 作为建筑材料或是作为建筑材料的一部分。但是，由于焚烧耗资大、设备复杂、 对操作人员的素质和技术水平要求高，并且焚烧会产生一定的烟灰，特别是当污 泥中的重金属随烟尘扩散于大气中时，会产生较为严重的大气污染，因此这方面 开展的工作很少。目前只有浙江大学、中国科学院、清华大学和华中科技大学对 污泥的焚烧原理进行了一定的研究。在实际工程方面，尤其是对运营多年、处理 效果良好的工程实例，在国内鲜有报道，只有深圳特区污水处理厂的污泥用于焚 烧咖。 污泥热解技术是指污泥在常压无氧或低于理论氧气量的条件下加热干燥污泥 至一定温度( 高温：5 0 0 。c 1 0 0 0 ，低温： 5 0 0 c ) ，由于干馏和热分解作用将污泥 3 重庆大学硕士学位论文1 绪论 中的脂类和蛋白质转变成碳氢化合物，最终产物为油、反应水、不凝性气体和炭 四种，部分产物的燃烧可作前置干燥与热解的热源，剩余能量以油的形式回收【】。 无氧热分解可促使污泥中有机物发生还原作用，产生可供回收利用的低碳石化燃 料，如甲烷或乙烷等【l o 】。污泥热解技术是近些年来为改进污泥焚烧而发展起来的 污泥处理技术，其能量平衡优于污泥焚烧。 1 3 5 其它污泥处置方法 除了以上几种利用率较高的污泥处置方法之外，还有很多不同的污泥处置和 利用的方法。污泥燃料化是一种采用多级蒸发器对污泥进行蒸发，制成污泥燃料 的方法。这种方法目前有两种形式：污泥能量回收系统，简称h e r s 法( h y p e r t o n e n e r g yr e c o v e r ys y s t e m ) 和污泥燃料化法，简称s f 法( s l u d g ef u e l ) 。h e r s 法是将 初沉污泥和剩余污泥分别进行厌氧消化，产生的消化气用于发电，消化后的污泥 通过四效蒸发制成含水率2 6 ，含油o 1 5 的污泥燃料。s f 法是将未消化的混合 污泥经过机械脱水后，通过四效蒸发器蒸发，制成含水率5 ，含油率1 0 以下的 污泥燃料u ”。 1 3 污泥处理现状、研究进展及问题 1 3 1 污泥处理现状 我国的污泥目前绝大部分是弃置或填埋的，只有极小量的进行干化后用于制 作混合肥。因此，无规则的弃置仍是主要消纳途径，其中一小部分进入了农田， 这些弃置无论在近期还是远期都将成为地表水和地下水的潜在污染源。同时，由 于我国的填埋场标准实施较晚，旧的填埋场接纳污泥，可能造成大量的污泥污染 物随渗滤液从地表进入深层，甚至威胁地下水和江河湖海。可是，世界各国根据 其地理环境和土地资源状况，却制订有不同的方针。 日本由于土地极为狭小，大部分采取焚烧的策略，这种不惜代价的焚烧，是 其经济发达程度可以承受的。欧共体将污泥解释为一种资源，因此其引导要求各 国从资源利用的角度去鼓励农用，限制填埋，鼓励一切形式的能源利用。据统计， 欧共体l l 污泥用焚烧法处理，8 9 用作农肥和采取填埋，美国则分别2 5 和7 5 ， 日本分别是5 5 和4 5 。 各国根据自身的地理条件，采取的政策多有不同。德国多采取干化、半干化 后焚烧，使用大量森林垃圾等作为补充能源。意大利旅游资源极为重要，限制焚 烧，鼓励减量，因此多为干化后填埋或做建材。法国、西班牙都在积极推行干化 减量和鼓励农用的政策。 1 3 2 国内外污泥热解和燃烧研究进展 热解过程 4 重庆大学硕士学位论文1 绪论 王红等人【1 2 】应用t g a 2 f t 取对比分析了城市污泥与煤的热解特性，研究发现污 泥中挥发分在某温度时大量而迅速地析出，且需要采用不同的机理来描述它的 热解动力学过程。蒋旭光等人【l3 】采用差示热天平获得造纸污泥和污水处理厂污泥 的t g ，d t g ，d t a 曲线，对污泥燃烧的物理化学过程进行了详细分析，认为污泥 的整个燃烧过程可分三个阶段。羞热曲线的计算分析表明，污泥热解反应是一个 一级反应过程，并以此获得污泥的动力学参数频率因子和活化能，最后得到 污泥的热解动力学方程。蒋旭光等人【1 4 】采用异重流化床燃烧技术，在一内径为 西6 0 m m 的小型热态流化床上进行了污泥的凝聚结团特性及燃烧特性试验，得到了 污泥在异重流化床炉内的水分蒸发及挥发分析出过程。对不同污泥燃烧过程的可 用能进行分析。选取了宁波污泥在t g d 5 0 0 r h 差示热天平上进行了热重法( t g ) ， 微商热重法( d t g ) ，热差分析( d t a ) 等分析，得出污泥的差热曲线，归纳出污泥的 动力学参数和方程。何晶晶等人【】5 】依据对城市污水厂污泥低温热化学转化( 热解) 反应机理研究的结果，提出了污泥热解反应的二级串联竞争反应模式。汪恂【l6 】对 污水厂污泥低温热解进行了试验究，结果表明它能有效去除污泥中的污染物质， 同时污泥热解的产物还可作为能源加以回收。 燃烧过程 德国的t o m o g a d a 和j o a c h i m w e r t h 甜 】专门研究了湿污泥在流化床中的燃烧 特性，他们的研究结果是：湿污泥颗粒在流化床内的干燥、挥发和焦炭着火燃烧 过程在时间上相互是有重叠的，干燥和大部分的挥发过程是在水蒸汽挥发、颗粒 温度仍较低时进行的；测得的干燥和挥发的时间均为几分钟，比固体颗粒送入流 化床内充分混合所需时间要长，因此在建模时应考虑水蒸汽和挥发物的完全释放 不会在进料点完成，而是在床层上的空闯内比较均匀地分布：燃烧时污泥中8 0 的 碳随挥发分一起析出，说明污泥燃烧主要是挥发分的气相氧化反应；床层的碳浓 度很低，是污泥燃烧的一个显著特征，因此在悬浮段上部，细颗粒碳的浓度就很 低，夹带损失就小，燃烧效率也就高。他们还发现污泥的热解气体中有8 0 为可 燃气体( 如c o 、c l h v 和h 2 ) ；在大型流化床锅炉中焚烧污泥时，稀相区的温度要明 显高于密相区的温度，有时达到2 0 0 c 的温差，分析其原因为：一方面污泥块在流 化床中有一定的破碎，使得小块容易被带到稀相区；另一方面，污泥释放出的挥 发分受到床料的抑制作用，不能在密相区中充分燃烧。 v e s i l i n 和r a m s e y i l 8 】采用相同大小的污水污泥颗粒进行加热实验，发现在加热 到1 5 0 以前的污泥剩余物的热值几乎不变，当温度超过1 5 0 ( 2 后剩余物的热值下 降得很快，到4 0 0 c 后剩余物己经没有任何热值了。s u n 和k o z i n s k i 0 9 通过分析造 纸污泥的燃烧过程发现污泥颗粒的着火点随着颗粒尺寸的减小而降低。此外，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。b o r o d u l y a 和d i k a l e n k o r t 2 u j 5 重庆大学硕士学位论文1 绪论 将直径范围在5 - 2 0 r a m 的湿污泥投入到炉温保持在8 0 0 c 的流化床中，发现火焰短 而明亮且不连续。当污泥直径小于1 0 m m 时，没有观察到火焰。与之形成对照的 是，当投入的是预先干燥的污泥时，火焰长而且带黑烟。k o c h 和k a m ir i s k y 2 | 通 过实验指出，挥发分的析出导致污泥含碳量大幅度降低。在较低的热解温度下， 含碳量下降了4 0 - - - 6 0 ；在5 0 0 7 0 0 。c 温度范围，含碳量下降了7 0 - - 8 0 ；而在7 0 0 c 以上，温度的影响就不大明显了。 日本的t k a s a k u r a 等人t 2 2 1 进行了用循环流化床焚烧处理污水污泥的研究，他 们主要研究了污泥在循环流化床中的燃烧特性和流化特性。主要结论是：污水污 泥在一个8 m 高、内径8 0 m m 的实验室流化床内可以完全燃烧；从炉内温度分布可 知粉末状污泥在整个上升管中均有燃烧，即炉内动力分布较好，但他们用的是经 过干燥脱水预处理的污泥，而实际从污水处理厂来的污泥一般含水率为7 0 - - 8 0 ， 因此他们指出对含水污泥的循环流化床焚烧处理还有待迸一步研究。 德国的h a r t m u th p r o b s t 和p c t e r w n l a “2 3 】在1 0 8 m w 的浅床流化床电站锅 炉上做了污水污泥与煤的混烧试验，其中污泥提供2 5 的投入热量，污染物排放 达到德国标准，遇到的问题是飞灰在流化床上部及热烟道的粘结和结焦。通过将 污泥和煤混合后造粒，改变燃料颗粒尺寸分布，延长颗粒在床内的停留时间，可 以避免因为极细颗粒被夹带至上部燃烧引起高温而导致的飞灰结焦，之所以采取 浅床就是因为悬浮段会加剧飞灰的粘结。另外，热烟道的曲线设计也会加剧枯结。 在3 0 0 m w 机组的锅炉上，用无烟煤、干污泥和石灰石混合造粒燃烧，也满足污染 排放要求。污泥含量只能限制在2 5 w t , - - 3 5 w t ，而且必须经常做炉膛顶部、飞灰 分离室及热烟道段的清洗工作。 s a n g e r 和w e r t h e r t 2 4 】发现燃烧“半干”污泥时，烟气中n o x 的浓度高于湿污泥而 低于干燥污泥。并认为较高的一次风温有助于降低烟气中n ：o 、c o 、n h 3 和c o r g 的浓度。 d e w l i n g 等人早在1 9 8 0 年就对焚烧污水污泥时重金属的迁移做了研究。他 们发现，只有汞主要分布在烟气中，而锌、铜、镍、钙8 0 留在灰中，2 0 留在烟 气清洗器中，铅和铬则绝大部分留在灰中( 分别为9 0 和9 5 ) 。 g e r s t l e 和a l b 加c k 【2 6 】在1 9 8 2 年指出，砷、钙、汞、锌和铅在烟气中的含量随 着燃烧温度的升高而升高，而且金属挥发后，在凝结时易形成亚微米颗粒，使通 常的烟气净化设备难以捕获。b a r t o n 2 7 】及其合作者也得出了类似的结论。 c e n n i t 2 8 】研究了煤粉添加干燥污泥后燃烧过程中重金属成分迁移规律的变化， 发现重金属浓度的变化会影响其凝结温度。煤一污泥混烧时，由于火焰温度比煤 燃烧时一低，飞灰中c r 的含量降低；飞灰中h g 、z n 的含量增加是因为添加重金属 含量比较高的污泥使得炉内重金属冷凝温度上升，从而更多的残留于飞灰中。 6 重庆大学硕士学位论文1 绪论 赵长遂【2 9 】采用热重天平对造纸污泥进行热重分析试验，得到热解反应化学动 力学参数和热解残余物的燃烧反应化学动力学参数。造纸污泥的热重分析在升温 初期很快析出水分，在2 2 0 c 3 8 0 之间失重率最大，3 4 0 1 2 左右达到最大失重率， 5 5 0 c 以上失重量很少。随着热解终温的降低，总失重量减少。 温俊明、池涌等【3 0 1 利用热重分析仪