污泥混燃特性及燃烧性能分析

污泥与地沟油制混合燃料的燃烧特性楼波;薛演振【期刊名称】《华南理工大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(046)002【摘要】市政污泥和地沟油混合制备新型燃料为废弃物资源化利用提供了新方法.文中利用热重-差示扫描量热同步分析仪对不同混合比例(污泥与地沟油的质量比分别为1:0.0,1:0.1,1:0.2,1:0.3,1:0.4,0:1.0)的燃料燃烧特性进行了研究,结果显示燃烧特性指数随着地沟油混入比例的增加而增加,而燃尽温度却相反,表明地沟油的混入有利于污泥的燃烧与燃尽.通过对10、20、30℃/min升温速率下Ozawa-Flynn-wall(OFW)和Friedmen两种无模型方法反应动力学的分析,并计算平均活化能发现:混合质量比为1:0.3时,混合燃料的平均活化能最小,其值分别为149.2kJ/mol(OFW)和139.5 kJ/mol(Friedmen),此时混合燃料还具有较低的燃尽温度(575.5℃).%The new fuels are fabricated by mixing municipal sludge ( MS) with waste cooking oil ( WCO) , provi-ding a new method for waste resource utilization.The combustion characteristic of fuels with different blending ratios (the mass ratios between sludge and waste cooking oil are 1:0.0, 1:0.1, 1:0.2, 1:0.3, 1:0.4, 0:1.0, re-spectively) are investigated by means of thermogravimetric simultaneous thermal analyzer in the paper, and the re-sult shows that the combustion characteristic indexes increases with the rise of waste cooking oil proportion, while the burnout temperature behaves oppositely, which suggests that the addition of WCO is beneficial for the combus-tion and burnout of MS.The reaction kinetics is analyzedby Ozawa-Flynn-Wall and Friedmen methods ( two mo-del-free methods) at the heating rate of 10, 20, 30℃/min, finding after calculating the average activation energy that:When the mixing mass ratio is 1:0.3 , the average activation energy of the blended fuel reaches the minimum with the values of 149.2 kJ/mol ( OFW) and 139.5 kJ/mol ( Friedmen) , respectively, and here the blended fuels at the mass ratio possess a lower burnout temperature (575.5℃) .【总页数】7页(P118-123,139)【作者】楼波;薛演振【作者单位】华南理工大学电力学院,广东广州510640;华南理工大学电力学院,广东广州510640【正文语种】中文【中图分类】TK16【相关文献】1.不同供油提前角下地沟油生物柴油-柴油混合燃料的经济性和排放特性试验研究[J], 何金戈;童开;肖明伟;符永锐;张惜辉2.地沟油生物柴油-柴油混合燃料燃烧特性和排放特性的试验研究 [J], 何金戈;童开;肖明伟;张惜辉;何少华3.地沟油生物柴油与正丁醇/乙醇混合燃料燃烧火焰特性 [J], 王文超; 李法社; 申逸骋; 刘作文4.污泥-烟煤混合燃料燃烧特性与动力学研究 [J], 孟涛;邢小林;陈传恒;张杰;杨琨;张涛5.污泥生物质混合燃料燃烧特性分析 [J], 何萍;张京京;潘懿;刘说;高爽;朱宝伟因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

污水污泥的燃烧特性X陆继东,华玉龙,孙路石,邓曙天(华中科技大学煤燃烧国家重点实验室,武汉430074)摘　要:通过对几种污泥样品进行热重分析,研究污泥的燃烧特性。

根据燃烧实验所得的热失重曲线,对几种污泥的燃烧过程进行了分析。

对实验数据进行了处理,采用Phadnis法和微分法相结合的方法确定了燃烧反应机理并求出了反应动力常数A和E。

在燃烧的不同阶段,总反应速率控制因素不同。

关键词:污水污泥;燃烧;热重分析;反应机理中图分类号:O643.2 文献标识码:A 文章编号:1006-8740(2001)03-0271-04Kinetics of Sewage Sludge C ombustionLU Ji-dong,HUA Yu-long,SU N Lu-shi,DENG Shu-tian(St ate K ey L abor ato ry of Coal Combustio n,Huazho ng U niv ersit y of Science and T echno lo gy,W uhan430074,China)Abstract:T he sewag e sludg e is exa mined by means o f themog r avim et ry and the T G,DT G and D T A cur ves ar e o btained.A ccor ding t o t hem,t he combust ion char acters of sew ag e sludge are st udied and the a nalyt ical details of differ ent sludge are g iv en.T he Phadnis and diff er ential met hod ar e used t o g et the paramet ers o f combustio n kinetics o f sludge.Differ ent factor s co ntro l t he co mbustion in the pro cess o f differ ent pha ses.Keywords:sew age sludg e;combustio n;therm al analysis;mechanism o f reaction 污水污泥的处理随着我国城市污水处理工业的发展而越来越显得迫切。

污泥混燃特性及燃烧性能分析1 引言(Introduction)城市污水处理厂每天产生大量的污泥，其中水分高(达80%以上)、体积庞大、容易腐化发臭而导致其难处理. 随着市政污泥及工业污泥产量逐年递增，欧盟很多国家已经制定并实施了相关环境法令，严禁含有可生物降解有机物的污泥进行填埋，鼓励对其进行焚烧处理. 焚烧法是一种具有减量化、无害化、资源化及回收能源等优点的污泥处置技术，其处理方式包括单独焚烧和掺烧.不同来源污泥及其混合污泥的燃烧特性进行系统的研究.利用热重分析法可以获得不同来源污泥及其与煤等可燃质的混合燃烧特性与反应动力学参数. Font等(2001)指出具有不同理化性质的污泥其燃烧热重曲线差异较大; 温俊明等(2004)从污泥的TG-DTG曲线出发，得出了由3个独立的、连续的平行反应组成的动力学模型; 刘敬勇等(2014)研究表明不同类别污泥的燃烧特性与污水处理厂的工艺、污泥的种类及理化性质有很大关系; Liao和Ma(2010)发现污泥与煤的掺烧比例对其混合样的着火及燃烧特性有较大影响; 段锋等(2012)研究发现不同的市政污泥与煤的混合燃烧特性表现为污泥与煤共同作用的结果; 曾佳俊等(2015)发现在污泥燃烧过程中加入FeCl3/CaO后可以提高污泥的燃烧性能; 刘敬勇等(2009)发现碱土金属含量和类别对污泥的燃烧性能影响显著; Xiao等(2010)研究了不同氧含量对污泥与煤的混烧特性的影响. 目前的污泥混燃研究主要集中于污泥与煤或者与生物质混燃，而针对不同来源污泥相互间的混燃特性的文献报道不多.目前研究污泥燃烧动力学的方法大多直接假定焚烧为简单反应，如一级反应，通过预先设定反应机理模型进行数值拟合，或者对高低温分别进行拟合. 事实上污水污泥的热解、燃烧过程中，灰分、挥发分的成分都比较复杂. 挥发分的析出、氧气的扩散、化学反应速率随温度的变化，其燃烧过程不断从动力区向扩散区进行转换，而且，氧气向内部扩散与产物气体向外扩散又相互阻碍. 因此，简单的假设往往掩盖了反应过程复杂性和机理. 另外，中国城市污泥有机质及重金属含量具有区域性和时空性差异(郭广慧等，2014)，会导致不同来源污泥混合焚烧特性的变化，但不同种类及不同来源污泥的混燃热力学数据较为缺乏.针对上述问题，本文对广州市具有代表性的两个生活污水处理厂的脱水污泥(S1和S2)和两个工业污水处理厂的脱水污泥(印染污泥S3和造纸污泥S4)进行系统取样.通过热重分析，深入研究不同气氛、不同升温速率、不同比例混合污泥的燃烧特性，同时计算出各类污泥的综合烧燃特性指数，获得不同条件下各类污泥混燃的着火、燃尽、综合燃烧特性参数和混燃动力学模型，有助于进一步掌握各类污泥混燃过程，以期为污泥掺烧设备设计的优化、运行以及燃烧工况的组织提供指导.2 材料与方法2.1 实验装置实验采用德国耐弛公司STA409PC型综合热分析仪，获得试样热重曲线(TG)及微商热重曲线(DTG). 其中热天平精度: 1 μg; 最大试样量: 1000 mg; 温度范围: 室温~1400 ℃; 实验气氛升温速率范围: 0.1~30.0 ℃· min-1.2.2 实验条件样品粒度小于100目，按要求混合均匀后取样，升温速率为10、20、25、30 ℃· min-1; 试样质量:(10±0.5)mg，温度范围: 室温-1000 ℃; 实验气氛: 空气、N2、CO2、不同比例N2/O2混合气体; 载气流量: 100 mL · min-1.2.3 试样实验中所用的污泥取自广州市具有代表性的大型市政污水处理厂脱水污泥(S1)、广州市开发区某大型污水净化厂脱水污泥(S2)、东莞某印染厂脱水污泥(S3)、广州某造纸厂脱水污泥(S4). 4种污泥的来源情况见表 1，可见这4种污泥的来源在污水成分、处理工艺及规模等方面都有较大的区别.表1 污水处理厂基本情况及污泥来源在压滤污泥终端进行系统取样，取回后的样品放在阴凉通风处晾干后用粉碎机粉碎，粉碎后的污泥样品转移到玛瑙研钵中研磨至所有成分过100目筛，然后在恒温烘箱内于105 ℃干燥24 h. 实验所采用污泥的元素分析、工业分析见表 2. 实验主要以广州市具有代表性的大型生活污水处理厂脱水污泥(S1)为主体，掺烧其他3种含工业废水较多的污泥.表2 污泥样品的工业分析和元素分析3 结果与讨论3.1 不同来源污泥混合燃烧TG-DTG热重曲线分析3.1.1 单一污泥的TG-DTG热重曲线分析考察了升温速率为20 ℃· min-1，空气气氛下4种单一污泥的TG-DTG曲线(图 1). 由图 1可见，污泥燃烧过程主要分为4个阶段，包括自由水和结合水析出、挥发分析出和燃烧、挥发分和固定碳燃尽、残留物燃烧和分解阶段，其中挥发分析出和燃烧控制整个燃烧过程(熊思江等，2011). 以市政污泥S1为例，第一阶段的温度范围是: 35~180 ℃，这是污泥中自由水和结合水析出的过程; 第二阶段从180~400 ℃为挥发分(有机物)的析出和燃烧，主要是有机物的挥发与燃烧，是燃烧过程主要控制阶段，这一阶段中最大的燃烧速率出现在288 ℃左右; 400~650 ℃是挥发分和固定碳的燃尽，主要是未燃尽的有机物的碳化和固定碳的燃烧; 最后一阶段650 ℃至最后是残留物的燃烧和分解，主要是无机盐类的析出和分解(高鑫等，2015). 从TG曲线看，S1与其他3种污泥相比，S1的最大失重率最小，污泥焚烧减量化最差，而S2减量化性能最好. 两个市政污泥燃尽性能差别较大，可能与污泥成分有关. DTG曲线中4种污泥挥发分的析出和燃烧峰出现的时间基本相同，说明两种污水污泥的挥发分成分相似，另外S2、S4的挥发分析出速率比S1、S3要大的多，这可能与S2、S4挥发分含量较高有关. 污泥S2的挥发分2燃烧峰出现的最早，速率最大，而S1、S3、S4的析出时间基本相同，最大析出速率顺序为S2>S1>S3>S4，说明污泥S2的有机物易碳化，有机物挥发燃烧比其他3个样品快. S4在800 ℃左右还有一个比较明显的挥发峰，可能与S4中含有较多的碳酸盐类有关，在800 ℃的时候碳酸盐分解挥发. S3和S4两种工业污泥差别比较大，原因是两种不同污水来源和处理工艺的不同，使得污泥的理化性质有较大差异(肖本益和刘俊新，2008).图1 4种不同来源单一污泥各自的TG和DTG曲线3.1.2 不同来源污泥混燃的TG-DTG热重曲线分析重点考察了广州具有代表性的市政污泥S1与其他3类不同来源污泥的混燃情况(图 2). S1与污泥 S2混燃的TG-DTG见图 2a和图 2b，可以看到不同比例的混合曲线基本位于两条单一样品污泥曲线之间，并且混合曲线随着S1混合比例增加，渐渐趋向于S1，两个单一污泥DTG曲线挥发峰在混合污泥中都有体现. S1燃烧挥发峰小，燃烧性能差，并且随着S1混合比例增加，混合燃烧性能也变差. TG曲线中污泥S1混合比例分别为80%、90%时，其最大失重率小于单一污泥S1，这可能是由于S1及S2同为市政污泥其理化性质相差较小，存在的交互作用较弱.图2 污泥S1分别与S2、S3、S4混合燃烧的TG-DTG曲线市政污泥S1与印染污泥S3混合燃烧见图 2c和2d. 两个单一污泥燃烧TG曲线都位于混合曲线下方，污泥混合后反应向高温区移动，反应时间滞后，其中S1与S3混合燃烧总失重率都小于S1和S3燃烧的失重率，表明混合燃烧没有提高污泥的燃尽性能. 对比DTG曲线可见，混合后的DTG曲线形状相似，第二个峰最大失重速率为0.46 mg · min-1，最大失重率比较接近，都大于单一污泥的燃烧速率，证明两类污泥存在强烈的交互作用，对混合污泥燃烧影响较大. 市政污泥S1与工业污泥S3物化性质差异较大，S3的加入可以与S1产生交互作用并促进混合污泥的燃烧，并且燃烧形成了一些难以分解和挥发的物质，这从TG曲线最大失重率减少，可以得到证实.对比TG-DTG曲线，市政污泥S1与造纸污泥S4混合的燃烧曲线(见图 2e和2f)都在两个单一曲线之间，4条混合污泥的曲线相互之间都很接近，两种污泥的单一挥发峰都在混合曲线中有所体现. 在DTG最大峰值右边有明显的波动，挥发峰出现时间先后不一样，与两种污泥区别性质差异大有关; 相似的规律同样出现在有机物燃尽和固定碳燃烧峰. 对比S1单独燃烧，S4和混合试样在800 ℃左右出现明显的无机盐类析出峰，随着S1比例增大，明显变小，可能是由于引起该峰的主要是S4样品，随着混合样品中S4的比例变少，样品中可挥发物质减少. 不同种类污泥混合燃烧，不同种类的污泥影响差异很大，相互之间影响大小与污泥的种类有很大关系(杨琳和冉景煜，2010).为了更好说明各混合污泥的交互作用，本论文利用混煤燃烧交互作用算法(马国伟等，2013)计算了污水污泥S1混合其他3类污泥的交互作用，求解结果见图 3. 由图 3可知，S1分别与S2和S4混合燃烧的交互作用相对较小，S1与S3混合燃烧交互作用较强，这表明实验值与计算值曲线离异程度越大，则表明交互作用越强，这与前述结果一致.图3 不同类污泥混燃交互作用求解示意图3.1.3 不同气氛对污泥燃烧的影响分别在单一气氛N2、CO2及不同O2含量N2/O2条件下，对市政污泥S1进行热重实验(见图 4). 污泥S1热解曲线(N2与CO2气氛)在挥发分析出这一段基本是重合的，从DTG曲线可以看到在CO2条件下燃烧速率相对高一些，总的失重率基本没有变化，表明其热解过程虽然基本相似，但CO2气氛更有利于污泥的热解; 800 ℃后CO2还有一个比较明显的失重峰，分析可能是有机物炭化后的未燃烧的固定碳在高温条件下，被CO2氧化为一氧化碳变为气体挥发出来. O2含量分别为30%和50%气氛条件下的TG-DTG曲线见图 5. 随着O2浓度的升高，TG曲线向低温区移动; 同时，DTG峰值更大，燃烧速率更快. 可见，氧浓度越高，反应进行得越快，有机物分解得越快，有利于反应的进行.图4 污泥S1分别在N2和CO2气氛下TG-DTG曲线图5 污泥S1在不同O2浓度下TG-DTG曲线3.1.4 不同升温速率对污泥燃烧的影响市政污泥S1在空气条件下、升温速率ф分别为10、20、25、30 ℃· min-1的TG-DTG 曲线见图 6. 随升温速率从10、20、25、30℃· min-1升至25℃· min-1时，TG曲线向高温区移动，升温速率小的反应比较充分，挥发分析出的温度更高，但最大失重率随着温度升高而减小. 从DTG曲线可以看到随着升温速率ф的增大，DTG曲线向高温区移动，峰值增大，燃烧区间变宽，燃烧失重速率变大，燃烧更剧烈. 可见，升温速率越高，反应进行得越快，挥发分析出越快. 但是污泥中有机质分解和燃烧需要一定时间，当升温速率增加时，影响到试样之间和试样内外层之间的传热温差和温度梯度，部分产物来不及挥发而产生滞后现象，从而导致污泥整体热滞后现象的加重，致使曲线向高温一侧移动，部分可燃质需在更高的温度下逸出. 由于随着升温速率增大，TG曲线移动的距离越来越小，可见污泥焚烧存在一个最佳的升温速率，这与挥发分析出特性指数单调递增及增加速度减慢也是一致的.图6 不同升温速率下污泥S1的TG-DTG曲线3.2 不同来源污泥燃烧的综合评价3.2.1 挥发分释放特性指数在燃料燃烧过程中，挥发分的析出直接影响燃烧的着火温度. 文中采用挥发分释放特性指数D(陈建原和孙学信，1987)对试样燃烧挥发分析出情况进行描述:式中，(dw/dt)max为最大燃烧速率，也就是挥发分最大释放速度峰值(mg · min-1); Tmax为峰值温度，K，也就是DTG曲线上最大燃烧速率(dw/dt)max对应的温度; Ti为着火温度，即着火点对应温度(K)，利用TG-DTG切线法求解，Ti越小，表明污泥中挥发分越易析出; ΔT1/2为(dw/dt)/(dw/dt)max = 1/2对应的温度区间(半峰宽度)，ΔT1/2对应的温度区间越小，表明挥发分释放越快越集中，燃烧容易在较低温度下进行(K); D越大，试样的挥发析出特性越好，燃烧反应越易进行，越有利于污泥的燃烧(mg · K-3 · min-1). 污泥热解参数同样参照上述方法计算.由表 3可以看出，污泥的挥发分释放特性指数在0.65×10-8~5.05×10-8mg · K-3 · min-1之间，小于煤的挥发分释放特性指数(聂其红等，2001)，其中随着升温速率的提高，沥滘污泥S1的着火点变高，要在更加高的温度下才可以着火，相反的污泥的挥发分析出越来越好，挥发分特性指数单调递增. 4种不同来源污泥的着火点S1最低，但挥发特性指数最小，S1容易着火燃烧，但挥发性能不佳; 污泥S2最大挥发速率最高，含挥发分最多; 印染污泥S3的挥发分释放特性指数最高，燃烧性能最好. 考察混合污泥燃烧发现，S1与S2混合燃烧时，着火点和最大失重速率相似，并没有随着比例改变发生较大的改变，挥发分释放特性指数波动性变化，说明这两种污泥混燃时的交互作用受混合比例的影响较大. 污泥S1与工业污泥S3混合燃烧的挥发分释放特性指数随着S1混合比例的增大而增大，这是由于S1的着火点较低，挥发性差，混合燃烧的交互作用随着S1含量增大而增大. S1与S4混合燃烧着火点随着S1比例增大而降低，与S3相反挥发特性指数D随着S1比例增大而减小，挥发特性指数向S1靠近，挥发性能下降; S1混合不同污泥，挥发特性影响差异较大，证明不同类型的混合污泥挥发性能并不一样以混合比例为5:5考虑，污泥S1混合污泥S2后其挥发特性最好.表3 不同来源污泥混合燃烧的挥发分释放特性指数3.2.2 燃尽指数本文将试样失重占总失重的98%时对应的温度定义为燃尽温度Th.燃尽特性是表征可燃物燃烧性能的一个重要指标，用燃尽指数Cb(聂其红等，2001)来描述工业污泥的燃尽特性，可定义如下:式中，f1为TG曲线上着火点对应的试样失重量与试样中可燃质含量的比值; 将试样燃烧失重从开始到燃烧98%可燃质的时间定义为燃尽时间τ0，τ0时刻所对应的试样失重量与试样中可燃质含量的比值定义为总燃尽率f，则后期燃尽率f2=f-f1. 其中，f1反映了挥发分相对含量、污泥着火特性的影响，f1越大，污泥可燃性越佳; f2反映了污泥中碳的燃尽性能，与含碳量、碳的存在形态等特性有关，f2越大，污泥的燃尽性能越佳. 由表 4可见污泥S1的燃尽指数随着升温速率提高而降低，不利于污泥减量化，同时初期燃尽率f1上升，有利于污泥燃烧. 不同来源污泥燃尽指数排序为S1>S3>S2>S4，初期燃尽率f1排序为S3>S1>S2>S4，说明S3可燃性最好，S1的燃尽特性最好. S1与其他3种污泥混燃的初期燃尽率f1基本都是随着S1添加比例提高而增大，可燃性变好，同样燃尽指数变大，燃尽性能越好. 混合比例为5/5的混合污泥的燃尽指数大小依次为S1+S2>S1+S3>S1+S4，说明市政污泥S1与污泥S2混燃的可燃性与燃尽参数最佳.表4 不同来源污泥混合燃烧的燃尽指数3.2.3 可燃性指数为全面评价污泥的燃烧稳定性情况，采用可燃性指数C(胡勤海等，2008;)来表征试样的整体燃烧特性.式中，Ti为着火温度(着火点温度)(K);(dw/dT)max 为最大燃烧速率; C越大表明试样的燃烧着火稳定性能越好. 如表 5所示，市政污泥S1随着升温速率提高，可燃性指数增大，燃烧越稳定; 单一污泥燃烧稳定性顺序为: S4>S1>S2>S3，造纸S4燃烧最稳定. S1与S2混合的样品，燃烧稳定性随着S1含量增大而变差; S1与S3混合的样品，燃烧稳定性随着S1含量增大而变好. 不同种类污泥混烧的稳定性并不一样，污泥S1与污泥S2混合可燃性指数最高，燃烧最稳定，而造纸污泥及印染污泥燃烧性能较差. 由于污泥焚烧炉必须要考虑进料及其燃烧的稳定性，而不同来源污泥混燃其稳定性差异较大，因此考虑不同种类污泥混烧对焚烧炉的设计有重要意义.3.2.4 综合燃烧特性指数为全面评价试样的燃烧情况，采用综合燃烧特性指数S(胡勤海等，2008;沈伯雄等，2000)来表征试样的整体燃烧特性:式中，(dw/dτ)max为最大燃烧速率(mg · min-1);(dw/dτ)mean为平均燃烧速率(mg · min-1)，其值越大，表明燃尽越快; Th燃尽温度试样失重占总失重98%时对应的温度(K). 综合燃烧特性指数S全面反映了试样的着火和燃尽性能(mg2 · K-3 · min-2)，S 越大说明试样的综合燃烧性能越佳.由表 5可见，随着升温速率提高，平均燃烧速率和综合燃烧指数S单调递增，4种单一污泥综合燃烧指数S排序为: S2>S4>S1>S3，说明S2的综合燃烧性能最好. 以混合比例9/1为例，混合污泥的S排序为S1+S2>S1+S4>S1+S3，两种市政污泥S1与S2混合燃烧效果最好. 当S1污泥中添加造纸污泥S4后，混合样的综合燃烧特性指数高于S1单独样，而掺烧S3结果相反，可见焚烧过程中不同类型的污泥混合后，其S差别较大. 向S1污泥中添加其他类污泥时，以S4为例，随着S1含量增加反而降低其燃烧性能，可能是因为两者含量慢慢接近时，交互作用增强，有利于燃烧的进行. 因此，不同种类污泥混燃的比例也是焚烧的重要考虑因素.表5 不同来源污泥混合燃烧的可燃性指数与综合燃烧特性指数3.3 污泥混燃动力学模型每个试样的燃烧实验可以认为是一系列挥发分释放、燃烧的综合行为，它们的活化能符合以下动力学方程(陈镜泓和李传儒，1985):式中，α为热解转化率，%，E活化能(J · mol-1); A为频率因子(min-1)，R为气体常数，8.314 J · mol-1 · K-1，T为反应温度，f(x)为与燃烧机理相关的函数. 经过整理得到:式中，ф为升温速率(℃· min-1)，ф=dT/dt.令，对于本实验中反应温区及大部分E值而言，的值近似看做常数，令b=- E/R，X= 1/T，Y=(n=1)，Y=(n≠1). 则有，Y= +bX.以不同的反应级数n带入试探求解，并进行线性拟合，数据的拟合线性越好，则反应机理函数选择越恰当，由直线的斜率可求得活化能E.假设混合试样等由3部分物质(即挥发分1、挥发分2和固定碳)组成，从污泥及其混合物燃烧的宏观动力学角度，把失重过程的3个阶段与3个相互独立的、连续的、平行反应相对应，各部分物质在升温过程中单独进行反应(温俊明等，2004). 在实验数据的处理过程中发现，无论是单步反应还是多步反应，在每步反应中，DTG峰值两侧的反应机理一般不可能相同. 本研究中将试样DTG曲线中燃烧速率较大的挥发分1、挥发分2及固定碳失重峰峰值前后采用不同的燃烧机理模型来描述. 在升温速率为20 ℃· min-1，空气条件下以S1样品第一挥发峰峰后为例拟合，分别在不同的反应机理下将峰前峰后横、纵坐标数据代入，并进行线性拟合(n分别取0.5、1、1.5、2)，以可决系数R2最大来确定反应曲线方程和活化能E，其燃烧动力学方程图解和动力学参数图解见图 7、图 8图7 S1污泥第1析出峰燃烧动力学方程图解图8 S1污泥第1析出峰燃烧动力学方程拟合曲线在燃烧动力学参数中，活化能E是一个非常重要的参数，它代表反应物的分子由初始稳定状态变为活化分子所需要吸收的能量，活化能比着火点更能从本质上描述试样的着火性能. 按照上述方法可得，每个样品的峰前、峰后反应级数都不一样，各自的反应动力学差异较大. 各阶段拟合方程的可决系数在0.8469～0.9999之间，线性比较好，说明最终确定的各个试样的反应级数比较合理，动力学参数的求解结果见表 6. 由表 6可知，试样在燃烧峰前的活化能通常比燃烧峰后的活化能小，燃烧反应峰前通常是反应由易变难的过程，而峰后则是反应由易变难的过程.同时低温段的活化能也比高温段的活化能小，这与污泥难挥发有机物在高温燃烧结果是一致的.表6 污泥燃烧时的动力学参数本文同时采用(Cumming，1984)提出的质量平均表观活化能Em的概念和计算方法计算燃烧反应总体的表观活化能，Em的定义如下:式中，E1～En为各反应区段的表观活化能; F1～Fn为各反应区段的燃烧质量损失份额.对比不同升温速率污泥S1表观活化能，随着升温速率提高，表观活化能也减小，这与污泥TG-DTG曲线向高温区移动是一致的. 从单一污泥的燃烧所得的活化能可以看出，印染污泥S3燃烧过程的质量平均表观活化能Em最小，污泥S1的质量平均表观活化能Em最大. 对于混合试样的燃烧来说，S1与其他3种污泥混燃的活化能均有所下降，活化能减少，燃烧更加容易进行. S1与S2混烧时，随着S1含量的增加，其混合样活化能逐渐减少，这与S1和S2之间产生的交互作用有关. 相反的是S1与S4混燃后，混合样平均活化能有所增加，燃烧进行缓慢，可能是S1所需活化能高、相互之间的交互作用很弱的缘故.4 结论1)不同来源污泥整个燃烧过程可分为4个阶段，不同来源污泥焚烧特性差异较大，其燃烧特性受污水来源、处理工艺和污泥种类有关，其中挥发分的析出和燃烧阶段制约着污泥的整个燃烧过程.2)不同来源及掺烧比例影响污泥的掺烧特性，其中市政污泥S1混合S2污泥后，其综合燃烧性能显著提高，而污泥S1与印染污泥及造纸污泥混合后，其综合燃烧指数有下降趋势.3)随着升温速率增加，污泥的挥发特性指数D及综合燃烧指数S都有所增加，而燃尽指数C下降; 提高升温速率和O2浓度都可以改善混合污泥的综合燃烧性能.4)污泥S1混合污泥S2后，其混合样的活化能E降低最多，而S1与印染污泥及造纸污泥分别混合后，活化能下降不明显，说明同类别污泥混燃其反应更加容易进行，这与混合污泥的综合燃烧特性指数变化规律一致.。

煤粉炉掺烧城市污泥燃烧特性分析随着城镇化的发展和人们生活水平的提高,近年来城市污水的排放量呈现出不断递增的趋势。

在污水处理的过程中,不可避免的产生了大量的污染物携带体—污泥。

污泥是一种含有各种有机物以及无机物的絮状物质,经过半干化后的污泥热值与褐煤相当,可以作为辅助燃料,混掺到煤粉炉内进行燃烧发电,但是与此同时污泥内含有大量的有毒有害物质,如果处理不当则容易造成二次污染,给环境和人类的生存带来很大的威胁。

本文针对我国燃煤电站协同处置污泥还不够成熟的现实状况,开展了以下研究:采用热重分析法,分析了不同粒径、不同升温速率下污泥的热重曲线,并进行了燃烧特性参数和动力特性参数求解。

在此基础上将污泥和煤以不同比例掺烧,研究了二者的混燃特性。

结果表明:较大的升温速率以及较小的粒径有利于污泥的燃烧;混烧特性表现为污泥和煤样共同作用的结果,当掺烧比例小于10%时,可燃性指数、稳燃性指数和综合燃烧特性指数变化较小,但是当掺混比例达到10%以后,各个燃烧性能参数均大幅下降,影响燃烧。

采用Fluent软件,对某台330MW四角切圆煤粉炉掺烧城市污泥进行了数值模拟,分析了炉内速度场、温度场以及氮氧化物的排放情况。

结果表明:含水率40%的污泥与煤混烧后对煤粉炉炉内的气流流动影响不大;且当掺烧比例小于20%时,对炉内温度以及氮氧化物(NO_x)浓度的排放量影响也较小。

但是当掺混比达到20%以后,燃烧区域的平均温度和最高温度均大幅度下降,影响燃烧,且由于燃料型NO_x的大量生成,使得NO_x浓度的总排放量也大幅增加。

以某污水处理厂每天产生的污泥为例,计算了污泥与煤掺烧后的经济性,结果表明:9吨污泥经过干燥掺烧后可以获得收益722元,因此掺烧城市污泥不仅可以清洁环境,而且可以带来一定的经济效益。

通过本文对煤与城市污泥的混烧特性的研究,期望能为污泥掺烧技术的发展提供一些科学参考数据。

污泥混煤燃烧热解特性及其灰渣熔融性实验研究污泥混煤燃烧热解特性及其灰渣熔融性实验研究污泥混煤燃烧热解技术作为一种有效的能源综合利用途径，因其可减少环境污染、有效回收资源而备受研究者们的关注。

为了更好地了解污泥混煤燃烧热解过程中的特性，本研究通过实验研究污泥混煤燃烧热解特性及其灰渣熔融性。

首先，我们搜集了大量的污泥和煤样本，并对其进行了物理化学特性的分析。

结果显示，污泥和煤样本中含有丰富的有机质和无机质，这为污泥混煤燃烧热解提供了可供利用的能源。

同时，通过对燃烧过程中的特性参数进行分析，我们发现污泥混煤燃烧热解能够有效地释放有机质中的能量，且生成的灰渣中还存在大量的无机质，可作为其他工业应用的原材料。

接着，我们设计了实验方案，利用实验装置对污泥混煤进行燃烧热解实验。

在实验过程中，我们控制了不同的燃烧温度和燃烧时间，以模拟实际运行情况。

通过对实验数据的分析，我们得出了如下结论：首先，燃烧温度对污泥混煤燃烧热解特性有显著影响。

随着燃烧温度的升高，污泥和煤样本中的有机质能够更充分地被燃烧，释放出更多的能量。

而燃烧温度过高则会导致热解产物中有机质的分解速率过快，使得有机质无法完全被燃烧，产生大量的污染物。

其次，不同的燃烧时间对污泥混煤燃烧热解特性也有影响。

随着燃烧时间的延长，燃烧过程中的有机质能够被更充分地燃烧，释放出更多的能量。

然而，在燃烧时间过长的情况下，燃烧过程中的烟气中会生成大量的污染物，这对环境造成较大的负荷。

最后，我们对产生的灰渣进行了分析。

结果显示，灰渣中含有大量的无机质，可以作为其他工业应用的原材料，如水泥生产、建筑材料等。

综上所述，污泥混煤燃烧热解技术具有较高的能源综合利用价值。

通过实验研究，我们深入了解了污泥混煤燃烧热解特性及其灰渣熔融性，为该技术在实际应用中的优化提供了理论基础。

然而，还需要进一步研究，以提高污泥混煤燃烧热解的效率和降低对环境的影响，促进能源的可持续发展综合实验数据分析，我们得出了以下结论：污泥混煤燃烧热解技术在实际应用中具有较高的能源综合利用价值。

作者简介:　苏胜(1977),男,湖北武汉人,华中科技大学煤燃烧国家重点实验室博士研究生,主要从事固体废弃物焚烧处理和洁净煤燃烧等方面的研究。

污泥基本特性及其与煤混烧的热重研究苏　胜,李培生,孙学信,李　敏,胡　松(华中科技大学,湖北武汉　430074)[摘　要]　主要通过对污泥单独燃烧及污泥与煤混烧的热重曲线的分析,研究了污泥的基本燃烧特性及其与煤的混烧特性。

研究发现,污泥的燃烧特性与煤的燃烧有较大的区别,而污泥与煤的混烧特性从总体上表现为污泥与煤共同作用的结果,其燃烧特性在某些方面优于污泥或煤的单独燃烧。

[关键词]　污泥;煤;混烧;热重分析[中图分类号]TK 16 [文献标识码]A [文章编号]10023364(2004)09006903 随着我国城市化进程加快,城市污水排放量在不断增加,污水处理率也不断提高,我国的年污泥产量十分惊人,其堆置和排放成了新的污染源。

如何处理这些数量庞大的污泥,使其达到减量化、无害化、资源化的目的,已成为我国乃至世界环境界深为关注的课题之一。

污泥焚烧由于具有减容量大、处理速度快、可分解污泥中有害物质、可回收能量、焚烧灰可回收利用等优点日益受到重视。

然而,污泥是高水分、低热值的劣质燃料,其成分十分复杂,不能一概认为任何污泥都可以用来焚烧,若完全以污泥作为燃料,燃烧时不一定能够稳定着火燃烧。

考虑到环境要求和经济条件等方面的因素,将污泥与煤混合燃烧,可以在基于已有的煤的燃烧装置(例如煤粉炉)和排放物净化回收装置上进行合理的改造来实现,这对降低污泥焚烧处理的成本,减少污染物排放具有十分重要的意义。

西班牙的R.F ont 等人[1]比较了7种干燥后污泥的TG 曲线,分析了这些污泥在燃烧过程中的变化规律,指出具有不同物理化学特性的污泥在燃烧过程中表现出了很大差异。

葡萄牙的M.Oter [2]等人将3种污泥经过不同干燥方式处理后与无烟煤进行了混烧试验,并对试验所得的TG 和DTG 曲线进行了比较分析。

煤与污泥掺混燃烧特性的研究
目前,随着我国工业化加快和农村城镇化加速,污水处理量越来越大,污泥的产量也越来越大。

日益增长的污泥量危害着人类的居住环境,而居民环保意识逐渐提高。

如何污泥高效、科学的利用已成为我国亟待解决的问题。

焚烧法可以使污泥减容化、稳定化、无害化和资源化。

本文将三种污泥与煤混合燃烧,旨在研究污泥与煤的混合燃烧特性,为更好地开发推广污泥掺混燃烧技术。

本文通过选取三种取自河北省某市的城市污泥、印染污泥和造纸污泥,按照不同的配比与煤粉进行混合,并在20K/min升温速率、空气气氛下对混合样品进行一系列的热重燃烧实验。

依据燃烧实验所得的TG-DTG曲线,对污泥、煤的单独燃烧特性进行了分析,比较了煤种和不同污泥以及污泥之间单独燃烧特征温度和特征指数的异同,分析了污泥与煤单独燃烧特性的差异。

依据燃烧实验所得的TG-DTG曲线,对三种污泥分别与煤的混合燃烧特性进行了分析,比较了相同掺混比例不同种污泥与煤混合燃烧基本特性的差异,以及同种污泥不同掺混比与煤混合燃烧基本特性变化。

对实验数据进行动力学分析处理,采用Coats-Redfern积分法确定了燃烧过程中反应机理并划分温度区间并拟合整理出拟合方程,求出了反应动力学常数指前因子A、活化能E以及质量平均表观活化能Em。

从污泥与煤的混合燃烧试验可以得出,污泥与煤混合有利于燃烧,混合燃烧受掺混比影响较大并且存在一个燃烧最优的掺混比。

混合燃烧效果受污泥种类影响较大。

污泥与煤的混烧提高了纯煤和纯污泥的燃烧特性,为污泥与煤的混烧技术提供了理论基础,为深入研究污泥燃烧提供可
靠的参考数据。

2023-11-09•污泥与垃圾掺混焚烧特性•二次污染物生成机制与控制技术•污泥与垃圾掺混焚烧协同控制实验研究•污泥与垃圾掺混焚烧特性的数值模拟研究•结论与展望目录01污泥与垃圾掺混焚烧特性由废水处理产生的固体废弃物，含有大量的水分、有机物和各种添加剂。

污泥日常生活中产生的废弃物，包括可回收物、有害垃圾和其他垃圾。

垃圾污泥与垃圾基本特性通过掺混，垃圾和污泥的燃烧稳定性得到改善，燃烧更加均匀。

燃烧稳定性热值污染物排放掺混后，垃圾和污泥的热值提高，有利于燃烧过程的进行。

在掺混焚烧过程中，氮氧化物、二氧化硫和氯化氢等污染物排放得到一定程度的控制。

03掺混焚烧过程特性0201灰分掺混焚烧后，灰分含量增加，有利于资源的回收利用。

二恶英类污染物掺混焚烧过程中，二恶英类的生成和排放得到有效控制。

焚烧产物特性02二次污染物生成机制与控制技术焚烧过程中产生的二次污染物主要包括烟尘、酸性气体（如SOx、NOx、HCl等）、有机污染物和重金属等。

二次污染物生成机制二次污染物种类二次污染物的生成主要源于污泥和垃圾中有机物的燃烧不完全、无机物的高温挥发以及氯化物的热分解等过程。

生成机理二次污染物的生成受到多种因素的影响，如污泥与垃圾的化学组成、焚烧温度和气氛、停留时间等。

影响因素重金属控制技术通过在焚烧炉内添加特定的吸收剂（如CaO、MgO等），与重金属发生化学反应，生成稳定的金属氧化物，再经高温热分解去除。

二次污染物控制技术烟尘控制技术采用高效除尘器（如电除尘器、布袋除尘器等）去除烟尘中的细颗粒物。

酸性气体控制技术通过在焚烧炉内添加石灰石或白云石等碱性吸收剂，与酸性气体反应，生成稳定的盐类，再经高温热分解去除。

有机污染物控制技术采用高效燃烧技术，使有机污染物在高温下完全燃烧生成CO2和水，同时可协同去除重金属。

通过优化焚烧温度、气氛和停留时间等条件，协同控制二次污染物的生成。

优化焚烧条件在焚烧过程中添加特定的化学剂，如碱性吸收剂、催化剂等，促进二次污染物的转化和分解。

污泥混煤燃烧热解特性及其灰渣熔融性实验研究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。

本文采用热量计、差热天平、加热炉、扫描电子显微镜(SEM)、能谱分析(EDX)及X衍射分析仪(XRD)等分析仪器对污泥及其混煤的热解、燃烧过程进行研究,探讨污泥及其混煤燃烧热解机理,分析燃烧过程的反应动力学特性,对焚烧后的灰渣进行了形貌与物相结构分析。

对城市污水污泥干燥特性的研究表明：不同厚度、比表面积大小及外部加热干燥条件均影响到污泥的干燥特性。

随着料层的减薄,比表面积的增加,污泥干燥速度变快,干燥时间变短,收缩效果变好,过热干燥效果优于饱和干燥。

用非等温热重分析法进行了污泥的热解特性实验,分析了污泥在升温过程中的基本失重规律。

研究显示：污泥的热解过程可用气固反应动力学方程表示为：dα/dτ=AeRT(1-α)n,并得出了污泥热解表观动力学参数。

发现r(α)=(1-α)2、f(α)=(1-α)0.2是最适合描述污泥热解反应峰前峰后的机理方程。

在空气氛围下对城市污水污泥进行燃烧实验,计算了相关的燃烧特性参数,并对污泥燃烧、热解特性进行了比较,发现：在第一温度段(20-330℃)燃烧曲线与热解曲线基本上相同或接近；第二温度段(330-450℃)热解曲线衰减快于燃烧曲线,而在第三温度区(450℃～550℃),由于污泥中高分子有机物的分解燃烧,燃烧曲线衰减更快。

实验中还发现氮气氛围下污泥残重要高于空气氛围,说明氧气的存在能够加快污泥的热解。

对污泥掺混不同比例煤粉的试样进行热重法试验研究发现：在混合试样的热解燃烧过程中,两组分之间不会相互影响,挥发分的释放过程可以认为是两母本试样挥发分释放的总和；混合试样的燃烧曲线位于污泥和煤粉燃烧曲线之间。

第３４卷第１期２０２１年３月 仲恺农业工程学院学报ＪｏｕｒｎａｌｏｆＺｈｏｎｇｋａｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｖｏｌ．３４，Ｎｏ．１Ｍａｒｃｈ，２０２１ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７４－５６６３．２０２１．０１．００８收稿日期：２０２０－０３－０１基金项目：国家自然科学基金（５１６０６２２７）、中国科学院可再生能源重点实验室（Ｅ０２９ｋｆ０８０１）资助项目．作者简介：方诗雯（１９９２－），女，浙江衢州人，讲师，博士． 通信作者：Ｅ ｍａｉｌ：ｌｘ＿ｄｉｎｇ＠１２６．ｃｏｍ造纸污泥与煤／生物质掺混燃烧特性及动力学分析方诗雯１，２，丁力行１，陈　姝１，沈向阳１，王澜珂１（１．仲恺农业工程学院机电工程学院，广东广州５１０２２５；２．中国科学院可再生能源重点实验室，广东广州５１０６４０）摘要：为研究造纸污泥与煤／生物质混合原料的燃烧特性及其动力学行为，通过热分析试验和分布式活化能模型方法，研究２０％Ｏ２／８０％Ｎ２的燃烧气氛下，造纸污泥在１０℃／ｍｉｎ升温速率下与混煤、蔗渣在不同掺混比下的燃烧特性和动力学参数．研究结果显示：１）随着混煤掺混比的增加，燃烧过程的温度范围不断缩小，综合燃烧特性指数先增加后减小再增加，平均活化能增加至２１９ ４１ｋＪ／ｍｏｌ（１０Ｚ９０Ｈ）后下降．在低温范围内，污泥与混煤的掺混对减少物料的质量残留率具有促进作用，高比例的混煤与污泥掺混在高温阶段对反应具有抑制作用．结果表明，９０Ｚ１０Ｈ为污泥与混煤的最佳掺混比．２）随着蔗渣掺混比的增加，着火温度先增加后减低，终止温度不断降低，综合燃烧指数不断增加，活化能从１９０ ９７ｋＪ／ｍｏｌ不断增加至２１５ ２４ｋＪ／ｍｏｌ，低温阶段两者并没有明显的交互作用．综上所述，５０Ｚ５０Ｚ为污泥与蔗渣的最佳掺混比．关键词：造纸污泥；混煤；蔗渣；混合燃烧；分布式活化能模型中图分类号：Ｘ７０５ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７４－５６６３（２０２１）０１－００４１－０７Ｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｃｏ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｎｄｋｉｎｅｔｉｃｏｆｐａｐｅｒｓｌｕｄｇｅａｎｄｍｉｘｅｄｃｏａｌ／ｂｉｏｍａｓｓＦＡＮＧＳｈｉｗｅｎ１，２，ＤＩＮＧＬｉｘｉｎｇ１，ＣＨＥＮＳｈｕ１，ＳＨＥＮＸｉａｎｇｙａｎｇ１，ＷＡＮＧＬａｎｋｅ１（１．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＺｈｏｎｇｋａｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ５１０２２５，Ｃｈｉｎａ；２．ＣＡＳＫｅｙｌａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＲｅｎｅｗａｂｌｅＥｎｅｒｇｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ５１０６４０，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｔｉｓｎｅｃｅｓｓａｒｙｔｏｍａｓｔｅｒｔｈｅｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｎｄｄｙｎａｍｉｃｂｅｈａｖｉｏｒｏｆｔｈｅｍｉｘｅｄｒａｗｍａｔｅｒｉａｌｓ（ｐａｐｅｒｓｌｕｄｇｅｍｉｘｅｄｗｉｔｈｃｏａｌ／ｂｉｏｍａｓｓ）．Ｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｒｍｏｇｒａｖｉｍｅｔｒｉｃｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓａｎｄｄｉｓｔｒｉｂｕ ｔｅｄａｃｔｉｖａｔｉｏｎｅｎｅｒｇｙｍｏｄｅｌｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｅｃｏ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｎｄｋｉｎｅｔｉｃｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｐａｐｅｒｓｌｕｄｇｅａｎｄｍｉｘｅｄｃｏａｌ／ｂａｇａｓｓｅａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｍｉｘｉｎｇｒａｔｉｏｓ，ａｔ１０℃／ｍｉｎｈｅａｔｉｎｇｒａｔｅ，ｕｎｄｅｒ２０％ｏｘｙｇｅｎ／８０％ｎｉｔｒｏｇｅｎａｔｍｏｓｐｈｅｒｅｗｅｒｅｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｉｓａｓｆｏｌｌｏｗｓ：１）Ｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｏｆｍｉｘｅｄｃｏａｌｒａｔｉｏ，ｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｒａｎｇｅｏｆｔｈｅｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｃｏｎｔｉｎｕｅｄｔｏｎａｒｒｏｗ．Ｔｈｅｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｃｏｍｂｕｓ ｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｉｎｄｅｘｉｎｃｒｅａｓｅｄｆｉｒｓｔａｎｄｔｈｅｎｄｅｃｒｅａｓｅｄａｇａｉｎｉｎｃｒｅａｓｅｄ．Ｔｈｅａｖｅｒａｇｅａｃｔｉｖａｔｉｏｎｅｎｅｒｇｙｉｎｃｒｅａｓｅｄｔｏ２１９ ４１ｋＪ／ｍｏｌ（１０Ｚ９０Ｈ），ｔｈｅｎｆｅｌｌ．Ｗｉｔｈｉｎｔｈｅｓｃｏｐｅｏｆｔｈｅｌｏｗｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｔｈｅｍｉｘｉｎｇｏｆｓｌｕｄｇｅａｎｄｔｈｅｍｉｘｅｄｃｏａｌｃｏｕｌｄｐｒｏｍｏｔｅｔｈｅｒｅｄｕｃｔｉｏｎｏｆｍａｓｓｒｅｓｉｄｕａｌｒａｔｅｏｆｍａｔｅｒｉａｌｓ．Ｔｈｅｂｌｅｎｄｗｉｔｈｈｉｇｈｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎｏｆｍｉｘｅｄｃｏａｌｃｏｕｌｄｉｎｈｉｂｉｔｔｈｅｒｅａｃｔｉｏｎａｔｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｔａｇｅ．Ａｂｏｖｅａｌｌ，９０Ｚ１０Ｈｗａｓｔｈｅｂｅｓｔｍｉｘｉｎｇｒａｔｉｏｏｆｓｌｕｄｇｅａｎｄｍｉｘｅｄｃｏａｌ．２）Ｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｂａｇａｓｓｅｒａｔｉｏ，ｔｈｅｉｇｎｉｔｉｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｒｓｔｉｎｃｒｅａｓｅｄａｎｄｔｈｅｎｄｅｃｒｅａｓｅｄ，ｔｈｅｂｕｒｎｏｕｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｋｅｐｔｄｒｏｐｐｉｎｇ，ｔｈｅｃｏｍ ｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｉｎｄｅｘｉｎｃｒｅａｓｅｄｃｏｎｔｉｎｕａｌｌｙａｎｄａｃｔｉｖａｔｉｏｎｅｎｅｒｇｙｉｎｃｒｅａｓｅｄｆｒｏｍ１９０ ９７ｋＪ／ｍｏｌｔｏ２１５ ２４ｋＪ／ｍｏｌ．Ｉｎｔｈｅｌｏｗｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｔａｇｅ，ｔｈｅｒｅｗａｓｎｏｏｂｖｉｏｕｓｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｂｅ ｔｗｅｅｎｔｈｅｔｗｏ．Ｔｏｓｕｍｕｐ，５０Ｚ５０Ｚｗａｓｔｈｅｏｐｔｉｍａｌｍｉｘｉｎｇｒａｔｉｏｏｆｓｌｕｄｇｅａｎｄｂａｇａｓｓｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｐａｐｅｒｓｌｕｄｇｅ；Ｍｉｘｅｄｃｏａｌ；Ｂａｇａｓｓｅ；Ｃｏ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ；Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅａｃｔｉｖａｔｉｏｎｅｎｅｒｇｙｍｏｄｅｌ（ＤＡＥＭ） 污泥是一种由有机残片、细菌菌体、无机颗粒、胶体等组成的复杂非均质体．随着工业化的推进，工业污水的排放量与日俱增，２０００－２０１７年间，年污水排放量由３３１ ８亿ｔ上升至６９９ ６６亿ｔ，以含水率９０％计算，每万ｔ污水处理后污泥产生量约为１０～２０ｔ［１］，由此可见，污泥处理压力巨大，且污泥成分复杂，不慎处理易引起重金属污染、有机物污染等，对土地以及地下水造成污染．污泥燃烧具有快速化、多优化、无害化等技术优势，但污泥单独燃烧存在一定的局限性．高水分（７５％～８３％）和高灰分（３５ １９％～４３ ９９％）含量，致使污泥热值偏低，难以靠自身热值维持稳定燃烧．《国家发展改革委办公厅关于污泥处置处置的通知》鼓励污泥作为低质燃料与一些高热值燃料，如煤、生物质、垃圾等掺混焚烧．生物质是一种清洁、可持续、可再生和可替代的能源．随着人们对气候变化和温室气体排放的日益关注，全球迫切需要从化石能源转向可再生能源．据统计，木质纤维素的年产量为１００亿ｔ［２］．蔗渣具有低灰分高热值的特点，利于燃烧．将其与污泥混合，具有提高污泥燃烧性能的可能性．国内外已有学者对污泥与生物质的混燃进行了研究．李玉忠等［３］研究造纸污泥与稻草的混燃动力学，发现稻草的加入能够降低污泥的燃尽温度，污泥和稻草的活化能分别在９７ ０～２０３ ７ｋＪ／ｍｏｌ和１３２ ６～２５３ ０ｋＪ／ｍｏｌ．目前，煤炭依旧在我国能源消费结构中占据主导地位，因此，有较多的学者将煤炭与污泥混合以探究两者混合燃烧过程．宁寻安等［４］采用热重分析法探究污泥与煤混燃特性，并用Ｃｏａｔｓ Ｒｅｄｆｅｒｎ方法计算活化能．Ｌｉａｏ等［５］研究了造纸污泥与无烟煤的混合热解和燃烧过程的热力行为，发现在高升温速率下污泥的反应速度加快．虽然污泥与煤、污泥与生物质的混合燃烧已被研究，但污泥与褐煤和烟煤掺混而得的混煤的燃烧性能，以及污泥与煤／蔗渣掺混燃烧的对比还较为少见．分布式活化能模型（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅａｃｔｉｖａｔｉｏｎｅｎｅｒｇｙｍｏｄｅｌ，ＤＡＥＭ）是一个多步反应模型，广泛应用于生物质热解动力学研究．该模型假设反应机理由数量巨大的平行不可逆反应组成，各反应的活化能由各自反应物自身的强度决定，这些反应的活化能差异性可以用一个连续的分布函数表示［６］．ＤＡＥＭ不同于以往动力学建模方法，如Ｍａｌｅｋ法、热分析曲线形状判定法、Ｐｏｐｅｓｃｕ法等，在面对复杂反应体系时，需要将反应过程分成多个阶段才能获得准确有效的模型，会使建模过程变得繁琐低效．由于污泥复杂的成分，在处理其掺混燃烧过程时，反应体系将会更加复杂，因此ＤＡＥＭ非常适用．但通过ＤＡＥＭ来计算污泥与混煤／蔗渣混样的活化能还少见论文报道．煤／生物质中由于污泥的掺混，进入处置设备的原料反应特性及其动力学过程发生了变化，因此，需要先掌握混合原料的燃烧特性及动力学行为．本文通过在１０℃／ｍｉｎ的升温速率下，探寻造纸污泥与混煤／蔗渣掺混燃烧的试验，研究不同掺混比对于混合燃烧的失重行为、燃烧特性的影响．再此试验的基础上，采用分布式活化能模型，计算所有样品的燃烧全过程的活化能，并探究样品燃烧的动力学过程，希望能为污泥等固体废弃物掺混煤的无害化、资源化利用提供理论支持和基础数据．１　试验部分１ １　物料特征本试验所用的混煤（ＨＭ）由质量分数５０％的烟煤与质量分数５０％的褐煤混合而成，与造纸污泥（ＺＷ）一样，均取自广东江门市，蔗渣（ＺＺ）取自广东广州市．原始物料先置于鼓风干燥箱中干燥２４ｈ，干燥温度１０５℃，尽可能将水分除去，便于后续的研磨和热重试验．干燥后，将物料粉碎，并用规格为８０目的筛网过筛，得到粒径小于２００μｍ的粉末样品．随后进行样品的工业分析和元素分析，并通过Ｄｕｌｏｎｇ公式［７］计算得出样品的高位热值（ＨＨＶ），列于表１．ＱＧＣＶ＝３３８ ２ Ｃ＋１４４２ ８ （Ｈ－Ｏ／８），（１）其中Ｃ、Ｈ、Ｏ分别为样品的碳元素、氢元素和氧元素的质量百分比（表１）．表１　样品的工业分析和元素分析（干基）样品元素分析／％工业分析／％ＣＨＯＮＳ挥发分固定碳灰分高位热值／（ＭＪ／ｋｇ）造纸污泥２３．６９３．９３１８．６７１．５３０．９２４７．１７１．５７５１．２６１０．３２烟煤６５．２７５．６９１４．０００．９１０．４２３３．１９５３．１０１３．７１２７．７６褐煤６３．５１７．９１２３．１８０．８９０．１６５１．９８４３．６７４．３５２８．７１蔗渣４６．０４１１．６９４０．２００．３７０．１４８２．５６１５．８８１．５６２５．１９２４ 仲恺农业工程学院学报第３４卷　 将造纸污泥与混煤／蔗渣按照质量比例为９∶１，７∶３，５∶５，３∶７和１∶９通过搅拌器分别混合，且命名为９０Ｚ１０Ｈ／９０Ｚ１０Ｚ，７０Ｚ３０Ｈ／７０Ｚ３０Ｚ，５０Ｚ５０Ｈ／５０Ｚ５０Ｚ，３０Ｚ７０Ｈ／３０Ｚ７０Ｚ和１０Ｚ９０Ｈ／１０Ｚ９０Ｚ，最后将物料密封保存于干燥器内以备后续试验．１ ２　试验装置与方法本研究所用的热重分析仪是由德国耐驰公司生产的热综合分析仪（ＮＥＴＺＳＣＨＳｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓＴｈｅｒｍａｌＡｎａｌｙｚｅｒＳＴＡ４０９ＰＣＬｕｘｘ）．试验方法如下：１）采用由体积分数２０％Ｏ２和体积分数８０％Ｎ２混合的模拟空气作为载气，流量２００ｍＬ／ｍｉｎ；２）升温速率１０℃／ｍｉｎ，在试验之前做空白对照试验以矫正数据基线；３）物料质量为６±０ ２ｍｇ；４）将样品放入试验仪器中，设定升温程序，升温程序分为２个阶段：干燥段（５０～１０５℃）和试验段（１００～９００℃），其中干燥段在达到１００℃时，需要保持１０ｍｉｎ，以充分干燥．２　分析方法本文中反应的着火温度（Ｔｉ／℃）采用ＴＧ ＤＴＧ切线法获得［８］；燃尽温度（Ｔｆ／℃）指试验中的物料氧化反应造成的质量失重量达到总失重量的９８％时所对应的温度；质量残留率（Ｍｆ／％）指物料燃烧届数时残留质量占原总质量的百分比；综合燃烧指数（Ｒ／１０－０７ｍｉｎ－２℃－３）是对样品燃烧特性的综合评价，可通过式（２）计算获得：Ｒ＝（ｄｗ／ｄｔ）ｍａｘ（ｄｗ／ｄｔ）ｍｅａｎＴ２ｉＴｆ，（２）式中，（ｄｗ／ｄｔ）ｍａｘ和（ｄｗ／ｄｔ）ｍｅａｎ分别为燃烧过程中的最大失重速率和平均失重速率，％／ｍｉｎ．理论ＴＧ曲线由污泥与混煤／蔗渣的算术加权平均值计算，公式如（３）所示［７］：ＴＧ＝α１×ＴＧ１＋α２×ＴＧ２，（３）式中，ＴＧ是理论（计算）得出的ＴＧ数值，％；α１和α２分别表示污泥和混煤／蔗渣的混合比例，％；ＴＧ１和ＴＧ２为污泥和混煤／蔗渣试验所得的ＴＧ数值，％．进一步定义混样的理论与试验值的偏差ΔＴＧ，公式如（４）所示，由此可获得污泥与混煤／蔗渣之间的相互作用．ΔＴＧ＝ＴＧＴ－ＴＧＥ，（４）式中，ＴＧＴ和ＴＧＥ分别表示混样的理论ＴＧ和试验ＴＧ的数值．非等温动力学参数的计算方法可分为两大类：微分法和积分法，其中微分法公式如式（５）所示：ｄαｄＴ＝Ａ０βｅｘｐ（－ＥＲＴ）ｆ（α），（５）式中β（β＝ｄＴ／ｄｔ）为升温速率，Ａ０为指前因子，是与反应温度及系统中物质浓度无关的常数，ｓ－１；ｆ（α）表示反应的模型函数；Ｅ表示表观活化能，ｋＪ／ｋｇ；Ｒ表示气体常数，ｋＪ／ｍｏｌ；Ｔ表示反应温度，Ｋ．分布式活化能模型（ＤＡＥＭ）常把反应机理函数选定为一级反应，即ｆ（α）＝１－α，代入式（５），并将等式两边分别从０～α和Ｔ０～Ｔｔ积分得：－ｌｎ（１－α）＝∫Ｔ１Ｔ０Ａ０βｅｘｐ（－ＥＲＴ）ｄＴ．（６）将式（６）整理成α（Ｅ，Ｔ）的形式得：α＝１－ｅｘｐ－∫ＴｔＴ０Ａ０βｅｘｐ（－ＥＲＴ）[]ｄＴ．（７）将式（７）右边展开成一个连续的分布函数积分得：α＝１－∫＋∞－∞ｅｘｐ－∫ＴｔＴ０Ａ０βｅｘｐ（－ＥＲＴ）[]ｄＴｆ（Ｅ）ｄＥ．（８）连续的分布函数ｆ（Ｅ）的意义是，活化能为Ｅ的基元反应出现的频率密度分布，即∫Ｅ＋ｄＥＥｆ（Ｅ）ｄＥ为此基元反应出现的频率．对于大多数化学反应来说，活化能是一个大于零的数，并且在反应开始稳定Ｔ０处的反应速率可忽略不计，所以有［９］：α＝１－∫＋∞０ｅｘｐ－∫Ｔｔ０Ａ０βｅｘｐ（－ＥＲＴ）[]ｄＴｆ（Ｅ）ｄＥ，（９）式（９）就是最常见的以一级反应为机理函数的ＤＡＥＭ积分式方程．从式（９）的方程等式可以看出，ＤＡＥＭ不存在解析解，只能通过数值积分去求解．本文采用了一种改进的普适性温度积分［１０］，其有效范围为４≤ｕ１≤２００且Δｕ１＝０ １，－２ ５≤ｍ≤２ ５且Δｍ＝０ １．近似式如下：ψｍ数值解（Ｅ，Ｔ）≈　()ＥＲｍ＋１ｅｘｐ（－ｕ１）ｕｍ＋２１ｅｘｐａ１ｕ１＋ｂ１ｍ＋ｃ１ｕ１＋ｂ２ｍ＋ｃ()２，（１０）式中，ａ１＝０ ０００３８２３５６８３６４７０９８７，ｂ１＝－０ ９８０７１１０９７０７９６９３，ｃ１＝－１ ９６３０６２９０５０４１８３，ｂ２＝０ ３６１９５３８３８４７８４５２，ｃ２＝１ ４７７０４１１９２６１２６６．本文所用的评价函数［１１］是基于残差平方和最小原理，此外还增加了对评价函数的自由度修正即：Ｏ Ｆ ＝１－ａｄｊＲ２＝ＳＳＥ／ｄｏｆｅｒｒｏｒＳＳＴ／ｄｏｆＴｏｔａｌ，（１１）３４　第１期 方诗雯，等：造纸污泥与煤／生物质掺混燃烧特性及动力学分析 式中，ＳＳＥ为残差平方和（ＳｕｍｏｆＳｑｕａｒｅｓｆｏｒＥｒ ｒｏｒ），ＳＳＴ为总离差平方和（ＳｕｍｏｆＳｑｕａｒｅｓｆｏｒｔｏ ｔａｌ），ｄｏｆｅｒｒｏｒ为ＳＳＥ的自由度，ｄｏｆＴｏｔａｌ为ＳＳＴ的自由度．Ｏ Ｆ 值越接近０，即模型与试验数据的残差平方和越小，模型的拟合优度越高．３　结果与讨论３ １　造纸污泥与混煤混合燃烧特性及动力学分析图１ ａ和图１ ｂ分别显示了１０℃／ｍｉｎ升温速率下造纸污泥（ＺＷ）与混煤（ＨＭ）在不同掺混比例下的燃烧ＴＧ和ＤＴＧ曲线，混样的燃烧特性参数列于表２．由图１ ｂ和表２可知，造纸污泥燃烧的初始温度和终止温度分别为２４７ ５℃和７１５ ８℃，其燃烧分解可以分为两个独立的阶段．第一阶段的失重峰峰值为－２ ８４％／ｍｉｎ，所对应的温度为３１６ ５℃，该部分主要由于半挥发性物质或含碳类的有机物分解，并析出ＣＯ２、ＣＯ等气体［１２］．第二阶段的失重峰发生在７１０ ４℃，峰值为－０ ８８％／ｍｉｎ，对应于固定碳以及残余物质的分解［１３］，且反应剧烈程度比第一阶段弱．混煤燃烧的初始温度为３１３ ３℃图１　造纸污泥与混煤混合燃烧ＴＧ（ａ）和ＤＴＧ曲线（ｂ）高于污泥，主要是因为污泥内部存有有机质；终止温度为６８０ １℃低于污泥，主要是因为污泥的灰分含量较高．混煤的燃烧同样可被分为两个阶段，两个失重峰分别发生在４０３ ４℃和５１１ ２℃．较污泥而言，反应的温度范围较窄，峰值为－４ ８６％／ｍｉｎ和－３ ８８％／ｍｉｎ，反应更剧烈． 由表２可以看出，随着混煤比例的增加，残余质量不断从５１ １７％降低至８ ４５％，主要是由于污泥的高灰分含量；初始温度从２４７ ５℃不断增加至３１３ ３℃；终止温度先上升后降低，可能是因为污泥与混煤的掺混对混样的燃烧具有协同作用；在３００℃和７５０℃附近存在的峰值数值不断减小，在４００℃和５００℃附近的峰值不断增大，燃烧特性不断向混煤靠近．在混煤掺混比例为３０％和５０％时，混样兼备两者的特性，因此燃烧反应出现４个较为明显的峰值，致使燃烧ＤＴＧ曲线出现４个峰且过程可被分为４个阶段，整个燃烧过程具有较宽的温度范围．样品的综合燃烧特性指数随着混煤的不断加入，呈现先增加至０ ３８６×１０－７ｍｉｎ－２℃－３（９０Ｚ１０Ｈ）后减少至０ ３８３×１０－７ｍｉｎ－２℃－３（５０Ｚ５０Ｈ）再增加至０ ７７２×１０－７ｍｉｎ－２℃－３（混煤）的波动趋势．混样整体呈现较低的数值，表明在１０℃／ｍｉｎ较低的升温速率下，两者均不具备较高的燃烧性能．为探讨污泥与混煤掺混燃烧过程中是否存在相互作用，通过式（３）和（４）计算得出混样的理论值与试验值间的ＴＧ差值，如图２所示．ＴＧ曲线上的数值表示样品残留质量的大小，已知残留质量越小越好，因此，当ΔＴＧ大于零时，理论值大于试验值，表明污泥与混煤的掺混对燃烧反应具有积极的促进作用，小于零则具有抑制作用．结果表明：当温度小于３５０℃时，所有掺混比的ΔＴＧ均大于零，表明在低温范围内，两者对减少物料的质量残留率具有促进作用，尤其是１０Ｚ９０Ｈ这一比例．当温度大于３５０℃时，仅９０Ｚ１０Ｈ和７０Ｚ３０Ｈ两个掺混比例的ΔＴＧ曲线位于零下上方，表明高比例的混煤与污泥掺混在高温阶段对反应具有抑制作用．主要是由于在高温阶段，混样中的挥发分几乎全部析出，有机物质分解，而此时灰分中的部分碱金属物质能够催化燃烧反应的进行［１４］．曲线在３５０、５００和７００℃附近存在峰值，发现这些温度与混样ＤＴＧ曲线上的第一、第二、第三失重峰对应的温度相对应，表明燃烧反应越强烈，两者的交互作用也越强烈．４４ 仲恺农业工程学院学报第３４卷　表２　造纸污泥与混煤／蔗渣在１０℃／ｍｉｎ升温速率下的混合燃烧特性参数１）样品Ｔａｉ／℃Ｔｂｆ／℃Ｍｃｆ／％ＤＴＧｄ１／（％／ｍｉｎ）Ｔｅ１／℃ＤＴＧｄ２／（％／ｍｉｎ）Ｔｅ２／℃ＤＴＧｄ３／（％／ｍｉｎ）Ｔｅ３／℃ＤＴＧｄ４／（％／ｍｉｎ）Ｔｅ４／℃Ｒｆ／（１０－７ｍｉｎ－２℃－３）造纸污泥２４７．５７１５．８５１．１７－２．８４３１６．５－０．８８７１０．４／／／／０．３６７９０Ｚ１０Ｈ２４９．６７１９．１４６．１９－２．７７３１７．５－０．８６７０７．６／／／／０．３８６７０Ｚ３０Ｈ２５７．９７０５．８３７．８４－２．５０３１９．６－２．１７３８４．４－１．５５５１５．８－０．８０６９２．００．３８４５０Ｚ５０Ｈ２８８．４７０５．４３１．１２－２．１２３２０．２－２．８１４００．２－２．１６５１８．８－０．６３６９１．５０．３８３３０Ｚ７０Ｈ２８９．４７０４．７２２．４９－３．５８４１１．１－２．８０５１５．８－０．４３６８０．３／／０．５４５１０Ｚ９０Ｈ３１１．５６８１．３１４．４３－４．３１４０４．１－３．２６５１７．４／／／／０．６４６混煤３１３．３６８０．１８．４５－４．８６４０３．４－３．８８５１１．２／／／／０．７７２９０Ｚ１０Ｚ２７９．３６９７．５４６．４３－３．４７３２５．０－０．９９６８８．７／／／／０．３９７７０Ｚ３０Ｚ２９３．５６８６．０３５．８２－５．２９３２６．７－０．７４６７８．６／／／／０．６６７５０Ｚ５０Ｚ２９７．２６７６．２２５．１９－２．８３２２４．１－６．６３３２５．４－０．５３６６１．８／／０．９６４３０Ｚ７０Ｚ２７１．７６６１．４１８．６３－３．７５２２３．６－７．０４３２５．６／／／／１．３６４１０Ｚ９０Ｚ２６７．９６４４．７７．３７－４．９８２２３．８－７．７４３２５．１－３．１０４３４．７／／１．８０７蔗渣２６０．０４８７．３３．２９－５．３３２２５．６－７．５４３２１．０－４．９８４３４．５／／２．５７６　１）Ｔａｉ，着火温度；Ｔｂｆ，燃尽温度；Ｍｃｆ，质量残留率；ＤＴＧｄ１、ＤＴＧｄ２、ＤＴＧｄ３、ＤＴＧｄ４，ＤＴＧ曲线第一、第二、第三、第四失重峰的失重速率；Ｔｅ１、Ｔｅ２、Ｔｅ３、Ｔｅ４，ＤＴＧ曲线第一、第二、第三、第四失重峰对应温度；Ｒｆ，样品的综合燃烧指数图２　污泥与混煤掺混燃烧的ΔＴＧ曲线 通过ＤＡＥＭ计算所得混样的平均活化能如图３所示，拟合相关系数均在０ ９９９以上，具有较好的准确度．污泥的活化能为１９０ ９７ｋＪ／ｍｏｌ，低于混煤的２４５ ０６ｋＪ／ｍｏｌ，可能是因为混煤（褐煤与烟煤）的固定碳含量高于污泥（１ ５７％），燃烧需要更高的能量．随着混煤掺混比的增加，混样的平均活化能总体呈现增加的趋势．当混煤比例为１０％时，活化能达到最小值２０８ ３８ｋＪ／ｍｏｌ，混煤比例为７０％时，活化能具有最大值２２２ ０４ｋＪ／ｍｏｌ．结合燃烧特性指数与协同作用，可知当污泥与混煤掺混比为９∶１时，在较大程度无害化处理污泥的基础上，还具有较好的燃烧特性、相互促进的协同作用以及较低的活化能，因此，该比例为两者在１０℃／ｍｉｎ升温速率下混合燃烧的最佳掺混比．３ ２　造纸污泥与蔗渣混合燃烧特性及动力学分析图４ ａ和图４ ｂ分别显示了１０℃／ｍｉｎ升温速率下造纸污泥（ＺＷ）与蔗渣（ＺＺ）在不同掺混比例下的燃烧ＴＧ和ＤＴＧ曲线，混样的燃烧特性参数列于表２．由图５ ｂ和表２可知，蔗渣燃烧的初始温度为２６０ ０℃，低于混煤，终止温度为４８７ ３℃，蔗渣的燃烧范围更偏向于低温区，表明蔗渣的反应性能较强．蔗渣为生物质，主要由纤维素、半纤维素、木质素组成，据文献可得［１４］，半纤维素分解范围主要为１９８～３９８℃，纤维素分解范围为３００～３５０℃，木质素则需要更高的温度４１０～５４０℃．蔗渣的燃烧过程由３个独立阶段组成，第一个失重峰发生在２２５℃，峰值为－５ ３３％／ｍｉｎ，第二个失重峰峰值为－７ ５４％／ｍｉｎ，对应温度为３２１ ０℃，第三失重峰则发生在４３４ ５℃，峰值为－４ ９８％／ｍｉｎ．由表２可以看出，随着蔗渣比例的增加，残余质量不断从５１ １７％降低至３ ２９％；初始温度先上升后下降，终止温度不断降低，燃烧过程向低温段靠近；在２００、３００和４５０℃附近产生的失重峰峰值越来越大，燃烧特性不断向蔗渣靠近，反应变得强烈．当蔗渣掺混比为１０％和３０％时，混样仅由两个阶段组成，反应范围不集中且平缓，不能作为良好的掺混比例．混样的综合燃烧特性指数随着蔗渣掺混比的增加从０ ３６７×１０－７ｍｉｎ－２℃－３增加至２ ５７６×１０－７ｍｉｎ－２℃－３．５４　第１期 方诗雯，等：造纸污泥与煤／生物质掺混燃烧特性及动力学分析图３　污泥与混煤掺混燃烧的平均活化能图４　造纸污泥与蔗渣混合燃烧ＴＧ（ａ）和ＤＴＧ（ｂ）曲线 图５显示了污泥与蔗渣混合燃烧的ΔＴＧ曲线．由图可知，在低温阶段ΔＴＧ的数值接近于零，两者并没有明显的协同作用．ΔＴＧ曲线在３００和４５０℃附近存在小于零的峰值，在３５０和７００℃附近存在大于零的峰值，结合ＤＴＧ曲线，可知污泥与蔗渣掺混在最大失重峰处具有最为强烈的燃烧反应和促进作用．当蔗渣掺混比为３０％和５０％时，混样的ΔＴＧ曲线均处于零线以上，尤其是５０％．图５　污泥与蔗渣掺混燃烧的ΔＴＧ曲线 污泥与蔗渣混样的平均活化能如图６所示，拟合相关系数均在０ ９９９以上，具有较好的准确度．蔗渣的活化能为２１５ ２４ｋＪ／ｍｏｌ，高于污泥，低于混煤，可能是因为蔗渣的固定碳含量处于混煤与污泥之间，固定碳的分解需要较高的能量．随着蔗渣掺混比的增加，混样的平均活化能不断增加．当蔗渣掺混比大于７０％时，活化能的增加速率增大，这是由于此时混样的燃烧由蔗渣占主导地位．结合燃烧特性指数与协同作用，可知，当污泥与蔗渣掺混比为５∶５时，两者的混合具有较高的燃烧性能、相互促进的协同作用以及较低的活化能（１９９ ６３ｋＪ／ｍｏｌ），因此，该比例为两者在１０℃／ｍｉｎ升温速率下混合燃烧的最佳掺混比．图６　污泥与蔗渣掺混燃烧的平均活化能４　结论本文对造纸污泥与混煤／蔗渣在１０℃／ｍｉｎ的升温速率下，分析不同混煤、蔗渣的掺混比例对混燃特性参数、综合燃烧指数以及表观活化能变化的影响，并探讨不同掺混比、不同温度阶段可能存在６４ 仲恺农业工程学院学报第３４卷　的协同作用，最终得出最优掺混比．随着混煤掺混比的增加，反应初始温度不断增加，终止温度不断降低，综合燃烧特性指数先增加后减小再增加，平均活化能增加至１０Ｚ９０Ｈ的２１９ ４１ｋＪ／ｍｏｌ，随后下降．造纸污泥与混煤最佳掺混比为９∶１．随着蔗渣掺混比的增加，着火温度先增加后减低，终止温度不断降低，综合燃烧指数不断增加，活化能从１９０ ９７ｋＪ／ｍｏｌ不断增加至２１５ ２４ｋＪ／ｍｏｌ．低温阶段两者并没有明显的交互作用，且５０Ｚ５０Ｚ样品全程具有促进的交互作用，造纸污泥与蔗渣最佳掺混比为５∶５．近年来对于污泥的资源化处置主要集中于其与高热值燃料的掺混利用．污泥的种类也是丰富多样，如造纸污泥、城市污泥、含油污泥等且各类污泥的燃烧特性已被学者广泛研究．在含油干化污泥与热电厂煤粉的掺混燃烧、市政污泥与烟煤在Ｏ２／ＣＯ２等污泥混煤燃烧以及造纸污泥与稻草、市政污泥与生活垃圾等污泥混生物质燃烧研究中，均没有给出两者掺烧的相互作用，并且均未利用分布式活化能模型进行动力学分析．同时，污泥与褐煤和烟煤掺混而得的混煤的燃烧性能，以及污泥与煤／蔗渣掺混燃烧的对比研究较少，利用ＤＡＥＭ研究其动力学的报道更是少见．该研究结果将有助于进一步理解造纸污泥与混煤、蔗渣的混燃过程，为污泥的掺烧利用提供理论参考，并为后续混烧焚烧炉的设计和运行提供指导．参考文献：［１］　国家统计局．中国环境统计年鉴２０１９［Ｍ］．北京：中国统计出版社，２０１９．［２］　ＣＡＩＺ，ＭＡＸ，ＦＡＮＧＳ，ｅｔａｌ．Ｔｈｅｒｍｏｇｒａｖｉｍｅｔｒｉｃａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｃｏ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｏｆｅｕｃａｌｙｐｔｕｓｒｅｓｉｄｕｅｓａｎｄｐａｐｅｒｍｉｌｌｓｌｕｄｇｅ［Ｊ］．ＡｐｐｌｉｅｄＴｈｅｒｍａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１６，１０６：９３８－９４３．［３］　李玉忠，马晓茜，谢泽琼，等．造纸污泥与稻草混烧动力学的热重分析法研究［Ｊ］．华南理工大学学报，２０１３，４１（１２）：１２－１７．［４］　宁寻安，张凝，刘敬勇，等．造纸污泥混煤燃烧特性及动力学研究［Ｊ］．环境科学学报，２０１０，３１（７）：１４８６－１４９２．［５］　ＬＩＡＯＹ，ＭＡＸ．Ｔｈｅｒｍｏｇｒａｖｉｍｅｔｒｉｃａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｃｏ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｏｆｃｏａｌａｎｄｐａｐｅｒｍｉｌｌｓｌｕｄｇｅ［Ｊ］．ＡｐｐｌｉｅｄＥｎｅｒｇｙ，２０１０，８７（１１）：３５２６－３５３２．［６］　ＭＡＺ，ＸＩＥＪ，ＧＡＯＮ，ｅｔａｌ．ＰｙｒｏｌｙｓｉｓｂｅｈａｖｉｏｒｓｏｆｏｉｌｆｉｅｌｄｓｌｕｄｇｅｂａｓｅｄｏｎＰｙ ＧＣ／ＭＳａｎｄＤＡＥＭｋｉｎｅｔｉｃｓａｎａｌｙｓｉｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆｔｈｅＥｎｅｒｇｙＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，２０１９，９２（４）：１０５３－１０６３．［７］　ＦＡＮＧＳ，ＹＵＺ，ＬＩＮＹ，ｅｔａｌ．Ａｓｔｕｄｙｏｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｃｈａｒａｃｔｅｒ ｉｓｔｉｃｏｆｃｏ ｐｙｒｏｌｙｓｉｓｏｆｍｕｎｉｃｉｐａｌｓｏｌｉｄｗａｓｔｅａｎｄｐａｐｅｒｍｉｌｌｓｌｕｄｇｅｗｉｔｈａｄｄｉｔｉｖｅｓ［Ｊ］．ＡｐｐｌｉｅｄＴｈｅｒｍａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１７，１１１：２９２－３００．［８］　ＨＵＳ，ＭＡＸ，ＬＩＮＹ，ｅｔａｌ．Ｔｈｅｒｍｏｇｒａｖｉｍｅｔｒｉｃａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｃｏ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｏｆｐａｐｅｒｍｉｌｌｓｌｕｄｇｅａｎｄｍｕｎｉｃｉｐａｌｓｏｌｉｄｗａｓｔｅ［Ｊ］．ＥｎｅｒｇｙＣｏｎｖｅｒｓｉｏｎａｎｄＭａｎａｇｅｍｅｎｔ，２０１５，９９：１１２－１１８．［９］　ＬＩＮＹ，ＣＨＥＮＺ，ＤＡＩＭ，ｅｔａｌ．Ｃｏ ｐｙｒｏｌｙｓｉｓｋｉｎｅｔｉｃｓｏｆｓｅｗａｇｅｓｌｕｄｇｅａｎｄｂａｇａｓｓｅｕｓｉｎｇｍｕｌｔｉｐｌｅｎｏｒｍａｌｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄａｃｔｉｖａｔｉｏｎｅｎ ｅｒｇｙｍｏｄｅｌ（Ｍ ＤＡＥＭ）［Ｊ］．ＢｉｏｒｅｓｏｕｒＴｅｃｈｎｏｌ，２０１８，２５９：１７３－１８０．［１０］ＬＩＮＹ，ＴＩＡＮＹ，ＸＩＡＹ，ｅｔａｌ．Ｇｅｎｅｒａｌｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄａｃｔｉｖａｔｉｏｎｅｎ ｅｒｇｙｍｏｄｅｌ（Ｇ ＤＡＥＭ）ｏｎｃｏ ｐｙｒｏｌｙｓｉｓｋｉｎｅｔｉｃｓｏｆｂａｇａｓｓｅａｎｄｓｅｗａｇｅｓｌｕｄｇｅ［Ｊ］．ＢｉｏｒｅｓｏｕｒＴｅｃｈｎｏｌ，２０１９，２７３：５４５－５５５．［１１］ＬＩＮＹ，ＷＡＮＧＨ，ＨＵＡＮＧＺ，ｅｔａｌ．Ｃｈｅｍｉｃａｌｌｏｏｐｉｎｇｇａｓｉｆｉｃａ ｔｉｏｎｃｏｕｐｌｅｄｗｉｔｈｓｔｅａｍｒｅｆｏｒｍｉｎｇｏｆｂｉｏｍａｓｓｕｓｉｎｇＮｉＦｅ２Ｏ４：Ｋｉ ｎｅｔｉｃａｎａｌｙｓｉｓｏｆＤＡＥＭ ＴＩ，ｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＯＣｒｅｄ ｏｘ，ａｎｄａｌｏｏｐｔｅｓｔ［Ｊ］．ＣｈｅｍｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＪｏｕｒｎａｌ，２０２０，３９５：１２５０４６．［１２］ＳＴＲＥＺＯＶＶ，ＥＶＡＮＳＴＪ．Ｔｈｅｒｍａｌｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｏｆｐａｐｅｒｓｌｕｄｇｅａｎｄｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓａｔｉｏｎｏｆｉｔｓｐｙｒｏｌｙｓｉｓｐｒｏｄｕｃｔｓ［Ｊ］．ＷａｓｔｅＭａｎａｇ，２００９，２９（５）：１６４４－１６４８．［１３］ＦＡＮＧＳ，ＬＩＮＹ，ＬＩＮＹ，ｅｔａｌ．Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｐｒｅｔｒｅａｔ ｍｅｎｔｏｎｔｈｅｃｏ ｐｙｒｏｌｙｓｉｓｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｎｄｋｉｎｅｔｉｃｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｍｕｎｉｃｉｐａｌｓｏｌｉｄｗａｓｔｅａｎｄｐａｐｅｒｍｉｌｌｓｌｕｄｇｅ［Ｊ］．Ｅｎｅｒｇｙ，２０２０，１９０：１１６３１０．［１４］ＦＡＮＧＳ，ＹＵＺ，ＬＩＮＹ，ｅｔａｌ．Ｔｈｅｒｍｏｇｒａｖｉｍｅｔｒｉｃａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｃｏ ｐｙｒｏｌｙｓｉｓｏｆｐａｐｅｒｓｌｕｄｇｅａｎｄｍｕｎｉｃｉｐａｌｓｏｌｉｄｗａｓｔｅ［Ｊ］．ＥｎｅｒｇｙＣｏｎｖｅｒｓｉｏｎａｎｄＭａｎａｇｅｍｅｎｔ，２０１５，１０１：６２６－６３１．【责任编辑　林江娇】７４　第１期 方诗雯，等：造纸污泥与煤／生物质掺混燃烧特性及动力学分析 。

污泥和神府煤共燃热重量分析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T350℃）。

标签：污泥；煤炭；复合燃料；热重量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。

污泥/烟煤燃烧特性影响因素的实验研究污泥是污水处理过程中产生的残余物,同时又是一种可再生能源。

中国的能源结构中煤炭资源占主要部分,污泥和煤的混烧能够有效节约煤炭资源的消耗,同时也是污泥处理的一种有效手段。

本文基于热重分析仪和固定床燃烧炉试验系统开展污泥与烟煤混烧特性影响因素的研究。

基于热重分析实验并进行理论分析,获得污泥初始含水率、升温速率(20～80K min^-1)、混合比例和氧气浓度对污泥/烟煤燃烧特性的影响规律。

结果表明:提高升温速率和污泥混合比例均使样品的着火、燃烬和综合燃烧指标增大。

40%O₂/60%CO₂富氧气氛下50%污泥/50%烟煤混合物的着火和燃烬指标分别为空气气氛下的2倍和1.3倍。

初始含水率为5.02%～37.85%的污泥主要燃烧阶段的平均活化能范围是146.59～168.39 kJ mol^-1,随着初始含水率的提高,活化能增大。

干污泥、80%污泥/20%烟煤、50%污泥/50%烟煤、20%污泥/80%烟煤、烟煤主要燃烧阶段的平均活化能分别为 165.80、139.24、118.21、82.87 和 68.07kJmol^-1。

在固定床燃烧炉系统中分别进行成型样品的定温和变温燃烧特性实验,获得污泥比例、升温速率（变温燃烧）和温度（定温燃烧）对成型样品火焰特性、失重特性、动力学特性和排放特性的影响规律。

结果显示:变温燃烧时,与纯样品相比,混合样品的火焰亮度和持续时间均增加。

随着升温速率的增加,NO排放增加。

升温速率为20 K min^-1时,与烟煤相比,污泥的CO和CO₂排放均值分别减少了 212%和175%,NO排放均值增加了 288%。

污泥燃烧特性及动力学分析卢洪波;杨健;苏桂秋【摘要】利用热重分析方法对污水污泥、罐底油泥的燃烧进行了试验研究。

结果表明：污泥的主要失重阶段为挥发分的析出燃烧阶段，升温速率的提高使得污泥燃烧由于热滞后现象向高温区域偏移，燃烧特性指数呈升高趋势。

随升温速率的增加，污泥的着火温度呈升高趋势。

采用C-R方法求解动力学参数，确定燃烧机理。

结果表明：污水污泥低温段的燃烧机理为随机成核和随后生长，高温段的燃烧机理为二维扩散，罐底油泥低温段的燃烧机理为随机成核和随后生长，高温段的燃烧机理为三维扩散。

%Experimental research on combustion performance of Sewage sludge、oil tank bottom was conducted by thermogravimetry analyzer. Results show that the weight loss mainly results from the separation and combus-tion of volatil components The increase of heating rate resulted in combustion of sludge deviation to the high temperature region due to the thermal hysteresis and the index of combustion characteristics showed a rising trend. With the increase of sludgeratio,ignition temperature of the mixture reduces gradually. C-R Method was applied to calculate the parameters of kinetic and determine the reaction mechanism. It is observed that the re-action mechanism of Sewage sludge is controlled by random then growth at low temperature and that the reac-tion is in according with the two-dimensional diffusion mechanism at high temperature. It is observed that the reaction mechanism of oil tank bottom is controlled by random then growth at lowtemperature and that the re-action is in according with the three-dimensional diffusion mechanism at high temperature.【期刊名称】《东北电力大学学报》【年(卷),期】2015(000)003【总页数】5页(P50-54)【关键词】污水污泥;罐底油泥;燃烧特性;燃烧动力学【作者】卢洪波;杨健;苏桂秋【作者单位】东北电力大学能源与动力工程学院，吉林吉林132012;东北电力大学能源与动力工程学院，吉林吉林132012;东北电力大学能源与动力工程学院，吉林吉林132012【正文语种】中文【中图分类】TK224卢洪波,杨健,苏桂秋(东北电力大学能源与动力工程学院,吉林吉林132012)随着经济的迅猛发展以及人口数量的快速增加,我国污水的处理量也在日益增加,污水同时污泥的产量也就越来越大。

城市污水污泥燃烧特性试验研究邱　天,张衍国,吴占松(清华大学,北京　100084)[摘　要]　对消化处理前后的2种城市污水污泥进行了工业分析、元素分析、焦粒的孔隙率测量和干燥污泥的热分析,并在日处理量为5t 的流化床实验台上进行了实际的焚烧试验。

通过焚烧,给出了污水污泥作为燃料的特性和流化床焚烧污泥时的床温分布,并分析了形成这种分布的成因。

研究结果可为处理污泥的大型循环流化床的设计和运行提供参考。

[关键词]　城市排放物;污水污泥;流化床;焚烧;热分析[中图分类号]T K16 [文献标识码]A [文章编号]10023364(2003)03001903 近年来,城市环境污染日趋严重,除车辆排放、工业污染外,还有固体废弃物污染,其中数量较大且不易处理的一种就是污泥污染[1]。

污泥中含有大量的病菌、重金属和多氯联苯等有害物质,而且还会放出恶臭气体,如果处理不当,危害性很大。

由于当前的城市生产、生活污水处理主要采用活性污泥法,因而不可避免地产生含水率高达80%以上的副产品污泥。

随着城市化进程加快及活性污泥水处理法的推广,污泥产量亦愈来愈大,致使污泥的消纳问题日益突出,亟待解决[2]。

迄今为止,处理污泥的方法主要有填埋、农用、焚烧等。

其中焚烧法因减容量大,并能可靠地消除污泥中大量的有害物质而日益受到重视。

1　实验系统及工况1.1　热态实验为了进行不同含水量污水污泥的焚烧试验,对经消化处理和机械化干燥后的原始污泥,通过日晒、风干等自然方式干燥。

不同水分含量的污泥通过控制日晒时间长短而获得。

试验所用的床料是燃煤流化床锅炉排渣中粒径小于5mm 的部分,辅助燃料为蔚县烟煤。

热态焚烧试验在循环流化床实验台上进行,该实验台的日处理量约为5t ,实验台结构见图1。

试验过程中对风量、给煤量、给料量、水量等几个参量进行控制,配有温度、压力、风量、冷却水量及烟气成分等参数的测量系统。

1-本体2-给煤料斗3-给煤螺旋输送机4-污泥料斗5-污泥螺旋输送机6-炉门7-风室8-排渣管9-旋风筒出口10-水平烟道11-分离器12-观察孔13-旋风筒立管14-料腿15-J 阀16-浮子流量计17-上级换热器18-下级换热器19-洗涤烟气入水管20-湿式除尘脱污器21-洗涤水槽图1　实验台构成1.2　污泥焦粒孔隙率的测量在热态试验即将结束时,向炉中给入少量的污泥,然后立即停炉,将炉中的床料和刚投入的污泥从排渣研究论文热力发电・2003(3)l ~　管放出。