印染污泥与甘蔗渣掺烧特性及调理剂FeCl3对焚烧烟气排放的影响

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随着印染废水处理量的大量增长及工业废水越来越严格的排放标准实施,印染污泥的产生量逐年增多。焚烧/掺烧能最大限度地实现印染污泥的减量化、无害化和资源化。然而,污泥掺烧过程中由于掺烧物料种类繁多,物料间的掺烧交互作用复杂,其交互机理尚不明确。另外,在污泥脱水预处理中加入的调理剂使得污泥的理化性质变得更加复杂,残留的调理剂对焚烧烟气排放的影响机制尚不清楚。基于此,本文深入研究了印染污泥与甘蔗渣在不同焚烧环境下的掺烧特性及其交互机理,同时利用管式炉模拟焚烧实验,系统研究了FeCl3调理剂对印染污泥在富氧燃烧条件下典型气体污染物排放的影响。研究内容主要包括:(1)为探究印染污泥与甘蔗在空气条件下的燃烧性能,对印染污泥(TDS)、甘蔗渣(SB)及其不同混合比例样品进行热重实验,通过TG-DTG曲线计算了单一样及其混合样的燃烧特性参数和各样品的燃烧动力学参数。结果表明印染污泥单独燃烧曲线可分为水分蒸发、挥发分的析出及燃烧、固定碳燃烧以及固体残渣的燃烧与分解4个阶段,其中挥发分的析出和燃烧是主要失重阶段;单一甘蔗渣燃烧则分为水分析出,挥发分燃烧以及固定碳燃烧3个阶段。当升温速率加快时,各样品的综合燃烧特性指数(CCI)有所上升。利用FWO与KAS法计算得到印染污泥及甘蔗渣的均值活化能(E),发现混合样的表观活化能(E)受到两者协同交互作用的影响。(2)为探究印染污泥与甘蔗渣在富氧燃烧条件下与常规燃烧条件下的燃烧性能的异同,利用热重分析详细研究了CO2/O2气氛条件下印染污泥(TDS)与甘蔗渣(SB)的掺烧特性,同时与N2/O2气氛对比,并计算了掺烧样品燃烧特性参数。掺烧样品中,随着甘蔗渣的混合比例从10 wt.%增加到40 wt.%,其综合燃烧特性指数CCI增加了1.71-4.32倍。在CO2/O2气氛条件下,氧气比例从20%增加至60%时,稳燃指数C增加1.39倍;着火性能指数Di增加1.29倍;综合燃烧性能指数CCI增加1.31倍。为更好地评价污泥与甘蔗渣的掺烧性能,计算了混合样品在N2/O2、CO2/O2条件下的热力学及动力学参数(Ea、ΔH、ΔS、ΔG)。从结果来看,在CO2/O2=7/3气氛条件下,计算所得的均值表观活化能E=175.06 k J·mol-1,是所有气氛条件下的最小值。(3)为研究调理污泥在富氧条件下的燃烧特性以及焚烧时的典型气体污染物的逸出规律,利用TGA分析、TG-MS以及TG-FTIR对添加FeCl3前后的印染污泥的燃烧性能、焚烧时典型气体污染物随温度的逸出规律进行探索。通过热重分析数据可知:在N2/O2气氛下,随着FeCl3投加量的增加,污泥的失重速率加快,其中总质量损失从32.20%增大至38.01%,燃烧反应变得更加剧烈,峰值温度(Tp)整体提前。而在CO2/O2气氛下,各样品着火温度(Ti)、峰值温度(Tp)、燃尽温度(Tb)均相差不大。对比FeCl3投加量为4 wt.%和6 wt.%的污泥,其最大失重速率Rmax相差0.42%·min-1而平均失重速率Rv仅相差0.001%·min-1,可见FeCl3投加量的增多将影响固定碳与残留矿物质的燃尽和分解。通过TG-MS以及TG-FTIR分析可以发现:在较低温度下,外加FeCl3抑制NOX的释放;调理剂FeCl3的加入使得SO2在整个燃烧反应过程中更早逸出,在主要燃烧阶段时,会使得气体逸出的行为(CO2,NO,NO2)更为集中与剧烈。(4)本实验通过管式炉模拟印染污泥在富氧气氛下的燃烧特性以及通过对焚烧实验的尾气进行在线监测,以此分析富氧燃烧工艺燃烧特点与气体产物。管式炉模拟焚烧实验表明,在CO2/O2气氛下,随着焚烧温度的上升(600-900℃),投加4-8wt.%FeCl3的调理污泥SO2的平均排放浓度逐步增大:以8 wt.%FeCl3调理污泥为例,在600℃下其SO2平均排放浓度为159.77 ppm;当焚烧温度达到900℃时,其平均排放浓度为892.00ppm,相差5.58倍。而NOX平均排放浓度则先降低后上升:以8 wt.%FeCl3调理污泥为例,焚烧温度在600℃和900℃时,NOX的平均排放浓度分别为42.87和43.26 ppm;而在700℃和800℃下则只有25.51和25.44 ppm。同时调理剂FeCl3的加入使得SO2和NOX能在更低的温度下提前释放,同时也促进了这两种气体的排放。
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