城市生活污泥燃烧特性的研究

来源 :城市建设理论研究 | 被引量 : 0次 | 上传用户:oldfly2005
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  摘要:本文利用量热仪、工业分析仪和元素分析仪,分析了不同含水率、有机物含量的污泥的燃烧特性,总结了污泥中的有机物含量与发热量、灰分、挥发分的关系。结果表明:污泥的高位发热量不小于3000kcal/kg的临界条件为有机物含量不低于58%;污泥中的有机物含量在56.7%-60%区间是污泥热值上升的最快区间,其上升速率约为182(大卡/公斤)/百分点;污泥燃烧过程中产生的灰分为23%-56%,挥发分为25%-65%;污泥有机物含量与高位发热量的关系、含水率与低位发热量的关系、分别呈现出Boltzmann函数、线性函数关系,而有机物含量与灰分和挥发分的关系均表现出E指数函数关系。这些结果为污泥用于火力发电厂掺烧发电提供了基础依据。
  关键字:污泥;燃烧;发热量;有机物;灰分;挥发分
  中图分类号:F291.1 文献标识码:A 文章编号:
  
  引言
  城市生活污泥是生活污水处理过程中产生的半固态废弃物,其物理、化学成分十分复杂,地区差异较大。这些污泥中含有有毒、有害(二噁英)物质、病原菌、寄生虫(卵)等物质,大量的未经处理的生活污泥随意弃置对环境造成很严重的二次污染[1]。然而,城市生活污泥中也含有丰富的有机物质,这使得污泥在一定含水率水平下保持着相当的可燃性能,至少具有一定的发热量,可作为一种品质较低的能源进行利用。
  污泥的资源化途径很多,其核心是围绕污泥所固有的物质性质。污泥作为火力发电厂的辅助燃料与煤炭掺烧进行发电是目前国内研究最为广泛的途径之一。范海红等研究了污泥的燃烧过程,将其分为水分蒸发阶段、第一类有机物分解燃烧阶段以及第二类有机物分解燃烧和固定碳燃烧阶段[2];李春雨,蒋旭光等[3]对制革、造纸和湖泊污泥的燃烧特性进行了研究,将污泥的燃烧过程分为挥发分燃烧和固定碳燃烧两个阶段,并对污泥的燃烧过程进行了动力学分析;谭雷,李辉等[4]则认为污泥的燃烧过程分为干燥、半挥发分析出、可降解挥发分析出、不可降解挥发分析出和焦炭燃尽五个阶段,并认为第三和第四阶段放热最多;新加坡南洋理工大學的Dong Ho Lee、David Tee Liang[5]等利用流化床反应器进行了污泥燃烧特性的研究,总结了污泥燃烧品质、流化性能、以及产生的SOx、NOx的排放特性;日本国家工业科技研究所的Takahiro Murakami等[6]研发出了针对含水率为80%的湿污泥的燃烧设备和工艺方案,与传统方式相比可节省增补燃料25%,氮氧化物的排放可减少50%;德国汉堡哈堡工业大学的Tom Ogada,Joachim Werther[7]等人通过实验室和半中试规模流化床对脱水污泥的燃烧特性进行了研究,结果表明污泥中80%的碳为挥发性的碳,燃烧反应主要是气相反应;瑞典查尔莫斯大学的L.-E. Åmand, B. Leckner[8]等人利用流化床反应器研究了污泥与煤炭、木头混合燃烧过程中NO、N2O的释放情况,研究表明当污泥与煤炭、木头的掺混比例不超过25%,不会对燃烧尾气造成影响。
  本文本文通过对大量的污泥的有机物、高位发热量、挥发分合灰分的检测,并对这些监测数据进行了分析,最终建立起了污泥的有机物含量与高位发热量、挥发分、灰分之间的关系,这对污泥在焚烧处置方面的应用积累了一定的基础数据。
  1实验
  1.1 实验仪器
  实验所用仪器为量热仪、工业分析仪、元素分析仪。
  1.2 污泥样品制备
  本实验所用的混合样取自北京市北小河、清河、酒仙桥、高碑店、小红门、吴家村和卢沟桥污水处理厂,“高碑店”、“小红门”样品分别为取自高碑店污水处理厂和小红门污水处理厂的污泥。污泥样品分成两份,将一份污泥放入马弗炉中焚烧,通过焚烧前后的质量差计算出污泥中的有机物含量;将另一份真空干燥后,研磨、筛分制成样品备用。表1为污泥样品的分析指标。
  表1 污泥样品的分析指标
  Table 1 Properties of sewage sludge
  
  2 结果与讨论
  本文对不同的污水处理厂的污泥进行了大量的数据检测,并对数据进行了分析和拟合,总结出了污泥中的有机物含量与污泥的高位发热量、挥发分、灰分的关系,并对总结出的关系式进行了验证和修订。此外,本文还根据归纳出的数据关系式结合污泥含水率与低位发热量的关系。
  2.1污泥有机物含量与高位发热量的关系
  本文首先通过对污泥混合样的有机物含量和高位发热量进行检测,并对二者之间的关系曲线进行拟合,总结出了其中的关系式(式1),结果表明污泥高位发热量与有机物含量之间为boltzmann函数关系。
  
  图1 污泥的高位发热量与有机物含量的关系曲线
  Fig.1 curve of relationship between gross calorific value and organic content
  此外,通过对高碑店和小红门样品的检测,将这两种样品的有机物含量的数值带入关系式1,污泥的高位发热量计算结果与实际检测结果十分接近,这进一步证明了污泥高位发热量与有机物含量之间表现出boltzmann函数的关系。
  Y=3495.7+(2116.2-3495.7)÷(1+exp((x-57.3)÷1.7))(式1)
  x为污泥中的有机物含量,%;
  Y为污泥的高位发热量,kcal/kg。
  如图1所示的为污泥中有机物含量与空干基高位发热量的关系,从图中能明显的看出,首先,空干基高位发热量随着有机物含量的增加而增大,其次当有机物含量达到56.7%时,空干基高位发热量骤然增加,直到有机物含量上升到60%时,其空干基高位发热量上升速度明显变缓,在这个更过程中,高位发热量由2700kcal/kg上升到3150kcal/kg。由此可见,要保证污泥具有3000kcal/kg的发热量,有机物含量应至少不小于58%。
  2.2 有机物含量与挥发分的关系
  图2所示的为污泥燃烧过程中所产生的挥发分与污泥中有机物的含量的关系曲线,通过对数据进行拟合,结果表明污泥燃烧过程中所产生的挥发分与污泥中有机物的含量的关系符合E指数函数关系,具体函数关系是见式2.
  Y=23.6exp(0.011x)(式2)
  x为污泥中有机物含量,%;
  Y为污泥燃烧过程中产生的挥发分,%。
  
  图2 污泥的挥发分与有机物含量的关系曲线
  Fig.2 curve of relatioship between volatile and organic content
  火力发电厂和水泥厂对燃料燃烧式产生的挥发分的下线要求不同,从不低于25%至不低于28%不等,按照本研究建立的挥发分控制方程计算,当污泥中的有机物含量不低于5.3%时,则其挥发分不低于25%。可见,污泥作为一种辅助燃料在火力发电厂或水泥厂进行掺烧完全能够满足其对挥发分下限的要求。
  2.3 有机物含量与灰分的关系
  
  图3 污泥的灰分与有机物含量的关系曲线
  Fig.3 curve of relationship between ash content and organic content
  灰分主要来自燃料中的不可燃烧矿物质矿物质燃烧灰化时要吸收热量,大量排渣要带走热量,因而灰分越高,燃料燃烧的热效率越低;灰分越多,燃料燃烧产生的灰渣越多,排放的飞灰也越多,容易加剧设备的磨损,缩短设备使用寿命。因此,火力发电厂和水泥厂对燃料的灰分军座了不同的规定,其中火力电厂对燃料的挥发分要求较为严格研究污泥燃烧过程中产生的灰分十分必要。
  图3所示为污泥燃烧过程中产生的灰分与其有机物含量的关系曲线。显然,随着污泥中的有机物含量的增加,其燃烧过程中产生的挥发分逐渐减少,并且挥发分的减少速率随有机物含量的增加而加剧。通过对实验数据曲线进行拟合得出污泥燃烧过程中产生的挥发与其有机物的含量之间存在着E指数函数关系,具体见式3.
  Y=79-12.6exp(0.02x)(式3)
  x为污泥中的有机物含量,%;
  Y为污泥燃烧过程中产生的灰分,%。
  火力发电厂和水泥厂对燃料的灰分均做了不同的规定,其中火力发电厂对燃料的挥发分要求较为严格(火力发电厂要求灰分不超过12%,水泥厂要求灰分不超过27%),由式3计算可知,要满足火力电厂和水泥厂对燃料灰分的要求,则污泥的有机物含量应分别不低于83.5%和70.9%。可见,城市生活污泥中由于含沙量高等因素造成的灰分高的问题比较严重,在实际的焚烧应用中,对于含沙量高的污泥可通过水泥厂焚烧的途径得到处置和利用较为合适,若要在火力发电厂焚烧发电,则应控制污泥与煤炭的掺混比例。
  2.4 污泥的H含量与有机物的关系
  
  图4 污泥的H含量与有机物的关系曲线
  Fig.4 curve of relationship between hydrogen content and organic content
  污泥中有机物的主要元素是C和H,除了污泥中的固定碳以及S等其他含量很低的微量元素之外,这两种元素构成了污泥发热量的主要贡献,因此可通过元素分析间接的得到其对污泥低位发热量的贡献。
  如图4中的曲线所示,本研究通过对污泥中的H元素与有机物含量的数据曲线进行拟合和验证,结果表明二者之间的关系亦表现出Boltzmann函数关系,具体见式4。
  Y=4.6-2.9÷(1+exp((x-46.2)÷10.3))(式4)
  x,污泥中有机物含量,%;
  Y,污泥中的H元素含量,%。
  由本文2.1中研究结果可知,污泥有机物含量分别与高位发热量、H元素的关系均表现出Boltzmann函数关系,这表明污泥有机物中的H元素对污泥高位发热的贡献起主导作用,并进一步验证了本文2.1中式1具有一定的合理性。
  2.5污泥的低位发热量与含水率和有机物含量的关系
  
  
  图5 不同有机物含量的污泥的低位发热量随含水率的变化曲线
  Fig.5 curve of relationship of sludge different organic content between water content and low calorific value
  图5所示为不同的有机物含量的污泥的低位发热量随含水率的变化曲线。 显然,随着有机物含量的增加,污泥的低位发热量随含水率的增加而明显降低,这意味着要想获得最大的污泥低位发热量则因尽量在不损失有机物的情况下降低污泥含水率。
  
  图6 不同含水率的污泥的低位发热量随有机物含量的变化曲线
  Fig.6 curve of relationship of sludge different water content between organic content and low calorific value
  图6所示为不同的含水率的污泥的低位发热量随有机物含量的变化曲线。 按照本研究建立的污泥高位发热量的Boltzmann模型,随着污泥含水率的增加,污泥的低位发热量的增加值随有机物含量的增加而明显降低,这意味着高含水率往往导致污泥分子内水含量增加(也即空干基水分增加),从而致使低位热值上升空间降低。
  3 结论
  (1)污泥高位发热量随有机物的含量增加而增加,高位发热量增加速率最快的区域为有机物含量在56.7%-60%,增加速率平均为182kcal·kg-1·个百分点-1;污泥高位发热量不低于3000kcal/kg的临界条件为有机物含量不小于58%。
  (2)污泥燃烧过程中产生的挥发分随有机物含量的增加而增加,污泥可完全满足火力发电厂或水泥廠焚烧对燃料的挥发分下限的要求,其最有利发挥热量作用的有机物含量区间,挥发分为44%-47%,这远高于煤的数值。
  (3)污泥燃烧过程中产生的灰分随有机物含量的增加而降低,由于火力发电厂对燃料灰分上限的严格要求及污泥本身含沙量等因素致使污泥的灰分超标,因此对高含沙量的污泥建议进行水泥厂焚烧或在电厂焚烧时控制污泥与煤炭的掺混比例。
  (4)污泥有机物中的H元素含量随有机物含量的增加而增加,且H元素对污泥的发热量贡献其主导作用。
  (5)污泥的低位发热量由于受含水率和有机物含量因素的双重制约,分别表现出线性和Boltzmann函数的趋势。
  参考文献:
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  范海宏,苏琦,韩丁.污泥燃烧特性研究[J].西安建筑科技大学学报(自然科学版),2011,43(4):594-598.
  李春雨,蒋旭光,费振伟,安春国. 制革、造纸和湖泊污泥燃烧特性的研究[J].燃烧化学学报,2009,37(6):757-762.
  谭雷,李辉,夏苇,常红兵,韩军.污泥燃烧动力学特性的研究[J].武汉科技大学学报,2010,33(2):210-213.
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  Takahiro Murakami,Yoshizo Suzuki,Hidekazu Nagasawa,Takafumi Yamamoto,Takami Koseki,Hitoshi Hirose, Seiichiro Okamoto. Combustion characteristics of sewage sludge in an incineration plant for energy recovery. Fuel Processing Technology,2009,90:778-783.
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