污泥混燃特性及燃燒性能分析

　　1 引言(Introduction)

　　城市污水處理廠(chǎng)每天產(chǎn)生大量的污泥，其中水分高(達(dá)80%以上)、體積龐大、容易腐化發(fā)臭而導(dǎo)致其難處理. 隨著市政污泥及工業(yè)污泥產(chǎn)量逐年遞增，歐盟很多國(guó)家已經(jīng)制定并實(shí)施了相關(guān)環(huán)境法令，嚴(yán)禁含有可生物降解有機(jī)物的污泥進(jìn)行填埋，鼓勵(lì)對(duì)其進(jìn)行焚燒處理. 焚燒法是一種具有減量化、無(wú)害化、資源化及回收能源等優(yōu)點(diǎn)的污泥處置技術(shù)，其處理方式包括單獨(dú)焚燒和摻燒.不同來(lái)源污泥及其混合污泥的燃燒特性進(jìn)行系統(tǒng)的研究.

　　利用熱重分析法可以獲得不同來(lái)源污泥及其與煤等可燃質(zhì)的混合燃燒特性與反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù). Font等(2001)指出具有不同理化性質(zhì)的污泥其燃燒熱重曲線(xiàn)差異較大; 溫俊明等(2004)從污泥的TG-DTG曲線(xiàn)出發(fā)，得出了由3個(gè)獨(dú)立的、連續(xù)的平行反應(yīng)組成的動(dòng)力學(xué)模型; 劉敬勇等(2014)研究表明不同類(lèi)別污泥的燃燒特性與污水處理廠(chǎng)的工藝、污泥的種類(lèi)及理化性質(zhì)有很大關(guān)系; Liao和Ma(2010)發(fā)現(xiàn)污泥與煤的摻燒比例對(duì)其混合樣的著火及燃燒特性有較大影響; 段鋒等(2012)研究發(fā)現(xiàn)不同的市政污泥與煤的混合燃燒特性表現(xiàn)為污泥與煤共同作用的結(jié)果; 曾佳俊等(2015)發(fā)現(xiàn)在污泥燃燒過(guò)程中加入FeCl3/CaO后可以提高污泥的燃燒性能; 劉敬勇等(2009)發(fā)現(xiàn)堿土金屬含量和類(lèi)別對(duì)污泥的燃燒性能影響顯著; Xiao等(2010)研究了不同氧含量對(duì)污泥與煤的混燒特性的影響. 目前的污泥混燃研究主要集中于污泥與煤或者與生物質(zhì)混燃，而針對(duì)不同來(lái)源污泥相互間的混燃特性的文獻(xiàn)報(bào)道不多.

　　目前研究污泥燃燒動(dòng)力學(xué)的方法大多直接假定焚燒為簡(jiǎn)單反應(yīng)，如一級(jí)反應(yīng)，通過(guò)預(yù)先設(shè)定反應(yīng)機(jī)理模型進(jìn)行數(shù)值擬合，或者對(duì)高低溫分別進(jìn)行擬合. 事實(shí)上污水污泥的熱解、燃燒過(guò)程中，灰分、揮發(fā)分的成分都比較復(fù)雜. 揮發(fā)分的析出、氧氣的擴(kuò)散、化學(xué)反應(yīng)速率隨溫度的變化，其燃燒過(guò)程不斷從動(dòng)力區(qū)向擴(kuò)散區(qū)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，而且，氧氣向內(nèi)部擴(kuò)散與產(chǎn)物氣體向外擴(kuò)散又相互阻礙. 因此，簡(jiǎn)單的假設(shè)往往掩蓋了反應(yīng)過(guò)程復(fù)雜性和機(jī)理. 另外，中國(guó)城市污泥有機(jī)質(zhì)及重金屬含量具有區(qū)域性和時(shí)空性差異(郭廣慧等，2014)，會(huì)導(dǎo)致不同來(lái)源污泥混合焚燒特性的變化，但不同種類(lèi)及不同來(lái)源污泥的混燃熱力學(xué)數(shù)據(jù)較為缺乏.

　　針對(duì)上述問(wèn)題，本文對(duì)廣州市具有代表性的兩個(gè)生活污水處理廠(chǎng)的脫水污泥(S1和S2)和兩個(gè)工業(yè)污水處理廠(chǎng)的脫水污泥(印染污泥S3和造紙污泥S4)進(jìn)行系統(tǒng)取樣.通過(guò)熱重分析，深入研究不同氣氛、不同升溫速率、不同比例混合污泥的燃燒特性，同時(shí)計(jì)算出各類(lèi)污泥的綜合燒燃特性指數(shù)，獲得不同條件下各類(lèi)污泥混燃的著火、燃盡、綜合燃燒特性參數(shù)和混燃動(dòng)力學(xué)模型，有助于進(jìn)一步掌握各類(lèi)污泥混燃過(guò)程，以期為污泥摻燒設(shè)備設(shè)計(jì)的優(yōu)化、運(yùn)行以及燃燒工況的組織提供指導(dǎo).

　　2 材料與方法

       2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

　　實(shí)驗(yàn)采用德國(guó)耐弛公司STA409PC型綜合熱分析儀，獲得試樣熱重曲線(xiàn)(TG)及微商熱重曲線(xiàn)(DTG). 其中熱天平精度: 1 μg; 最大試樣量: 1000 mg; 溫度范圍: 室溫~1400 ℃; 實(shí)驗(yàn)氣氛升溫速率范圍: 0.1~30.0 ℃ · min-1.

　　2.2 實(shí)驗(yàn)條件

　　樣品粒度小于100目，按要求混合均勻后取樣，升溫速率為10、20、25、30 ℃ · min-1; 試樣質(zhì)量:(10±0.5)mg，溫度范圍: 室溫-1000 ℃; 實(shí)驗(yàn)氣氛: 空氣、N2、CO2、不同比例N2/O2混合氣體; 載氣流量: 100 mL · min-1.

　　2.3 試樣

　　實(shí)驗(yàn)中所用的污泥取自廣州市具有代表性的大型市政污水處理廠(chǎng)脫水污泥(S1)、廣州市開(kāi)發(fā)區(qū)某大型污水凈化廠(chǎng)脫水污泥(S2)、東莞某印染廠(chǎng)脫水污泥(S3)、廣州某造紙廠(chǎng)脫水污泥(S4). 4種污泥的來(lái)源情況見(jiàn)表 1，可見(jiàn)這4種污泥的來(lái)源在污水成分、處理工藝及規(guī)模等方面都有較大的區(qū)別.

　　表1 污水處理廠(chǎng)基本情況及污泥來(lái)源

　　在壓濾污泥終端進(jìn)行系統(tǒng)取樣，取回后的樣品放在陰涼通風(fēng)處晾干后用粉碎機(jī)粉碎，粉碎后的污泥樣品轉(zhuǎn)移到瑪瑙研缽中研磨至所有成分過(guò)100目篩，然后在恒溫烘箱內(nèi)于105 ℃干燥24 h. 實(shí)驗(yàn)所采用污泥的元素分析、工業(yè)分析見(jiàn)表 2. 實(shí)驗(yàn)主要以廣州市具有代表性的大型生活污水處理廠(chǎng)脫水污泥(S1)為主體，摻燒其他3種含工業(yè)廢水較多的污泥.

　　表2 污泥樣品的工業(yè)分析和元素分析

　　3 結(jié)果與討論

　　3.1 不同來(lái)源污泥混合燃燒TG-DTG熱重曲線(xiàn)分析

　　3.1.1 單一污泥的TG-DTG熱重曲線(xiàn)分析

　　考察了升溫速率為20 ℃ · min-1，空氣氣氛下4種單一污泥的TG-DTG曲線(xiàn)(圖 1). 由圖 1可見(jiàn)，污泥燃燒過(guò)程主要分為4個(gè)階段，包括自由水和結(jié)合水析出、揮發(fā)分析出和燃燒、揮發(fā)分和固定碳燃盡、殘留物燃燒和分解階段，其中揮發(fā)分析出和燃燒控制整個(gè)燃燒過(guò)程(熊思江等，2011). 以市政污泥S1為例，第一階段的溫度范圍是: 35~180 ℃，這是污泥中自由水和結(jié)合水析出的過(guò)程; 第二階段從180~400 ℃為揮發(fā)分(有機(jī)物)的析出和燃燒，主要是有機(jī)物的揮發(fā)與燃燒，是燃燒過(guò)程主要控制階段，這一階段中最大的燃燒速率出現(xiàn)在288 ℃左右; 400~650 ℃是揮發(fā)分和固定碳的燃盡，主要是未燃盡的有機(jī)物的碳化和固定碳的燃燒; 最后一階段650 ℃至最后是殘留物的燃燒和分解，主要是無(wú)機(jī)鹽類(lèi)的析出和分解(高鑫等，2015). 從TG曲線(xiàn)看，S1與其他3種污泥相比，S1的最大失重率最小，污泥焚燒減量化最差，而S2減量化性能最好. 兩個(gè)市政污泥燃盡性能差別較大，可能與污泥成分有關(guān). DTG曲線(xiàn)中4種污 泥揮發(fā)分的析出和燃燒峰出現(xiàn)的時(shí)間基本相同，說(shuō)明兩種污水污泥的揮發(fā)分成分相似，另外S2、S4的揮發(fā)分析出速率比S1、S3要大的多，這可能與S2、S4揮發(fā)分含量較高有關(guān). 污泥S2的揮發(fā)分2燃燒峰出現(xiàn)的最早，速率最大，而S1、S3、S4的析出時(shí)間基本相同，最大析出速率順序?yàn)镾2>S1>S3>S4，說(shuō)明污泥S2的有機(jī)物易碳化，有機(jī)物揮發(fā)燃燒比其他3個(gè)樣品快. S4在800 ℃左右還有一個(gè)比較明顯的揮發(fā)峰，可能與S4中含有較多的碳酸鹽類(lèi)有關(guān)，在800 ℃的時(shí)候碳酸鹽分解揮發(fā). S3和S4兩種工業(yè)污泥差別比較大，原因是兩種不同污水來(lái)源和處理工藝的不同，使得污泥的理化性質(zhì)有較大差異(肖本益和劉俊新，2008).

　　圖1 4種不同來(lái)源單一污泥各自的TG和DTG曲線(xiàn)

　　3.1.2 不同來(lái)源污泥混燃的TG-DTG熱重曲線(xiàn)分析

　　重點(diǎn)考察了廣州具有代表性的市政污泥S1與其他3類(lèi)不同來(lái)源污泥的混燃情況(圖 2). S1與污泥 S2混燃的TG-DTG見(jiàn)圖 2a和圖 2b，可以看到不同比例的混合曲線(xiàn)基本位于兩條單一樣品污泥曲線(xiàn)之間，并且混合曲線(xiàn)隨著S1混合比例增加，漸漸趨向于S1，兩個(gè)單一污泥DTG曲線(xiàn)揮發(fā)峰在混合污泥中都有體現(xiàn). S1燃燒揮發(fā)峰小，燃燒性能差，并且隨著S1混合比例增加，混合燃燒性能也變差. TG曲線(xiàn)中污泥S1混合比例分別為80%、90%時(shí)，其最大失重率小于單一污泥S1，這可能是由于S1及S2同為市政污泥其理化性質(zhì)相差較小，存在的交互作用較弱.

 

　　圖2 污泥S1分別與S2、S3、S4混合燃燒的TG-DTG曲線(xiàn)

　　市政污泥S1與印染污泥S3混合燃燒見(jiàn)圖 2c和2d. 兩個(gè)單一污泥燃燒TG曲線(xiàn)都位于混合曲線(xiàn)下方，污泥混合后反應(yīng)向高溫區(qū)移動(dòng)，反應(yīng)時(shí)間滯后，其中S1與S3混合燃燒總失重率都小于S1和S3燃燒的失重率，表明混合燃燒沒(méi)有提高污泥的燃盡性能. 對(duì)比DTG曲線(xiàn)可見(jiàn)，混合后的DTG曲線(xiàn)形狀相似，第二個(gè)峰最大失重速率為0.46 mg · min-1，最大失重率比較接近，都大于單一污泥的燃燒速率，證明兩類(lèi)污泥存在強(qiáng)烈的交互作用，對(duì)混合污泥燃燒影響較大. 市政污泥S1與工業(yè)污泥S3物化性質(zhì)差異較大，S3的加入可以與S1產(chǎn)生交互作用并促進(jìn)混合污泥的燃燒，并且燃燒形成了一些難以分解和揮發(fā)的物質(zhì)，這從TG曲線(xiàn)最大失重率減少，可以得到證實(shí).

　　對(duì)比TG-DTG曲線(xiàn)，市政污泥S1與造紙污泥S4混合的燃燒曲線(xiàn)(見(jiàn)圖 2e和2f)都在兩個(gè)單一曲線(xiàn)之間，4條混合污泥的曲線(xiàn)相互之間都很接近，兩種污泥的單一揮發(fā)峰都在混合曲線(xiàn)中有所體現(xiàn). 在DTG最大峰值右邊有明顯的波動(dòng)，揮發(fā)峰出現(xiàn)時(shí)間先后不一樣，與兩種污泥區(qū)別性質(zhì)差異大有關(guān); 相似的規(guī)律同樣出現(xiàn)在有機(jī)物燃盡和固定碳燃燒峰. 對(duì)比S1單獨(dú)燃燒，S4和混合試樣在800 ℃左右出現(xiàn)明顯的無(wú)機(jī)鹽類(lèi)析出峰，隨著S1比例增大，明顯變小，可能是由于引起該峰的主要是S4樣品，隨著混合樣品中S4的比例變少，樣品中可揮發(fā)物質(zhì)減少. 不同種類(lèi)污泥混合燃燒，不同種類(lèi)的污泥影響差異很大，相互之間影響大小與污泥的種類(lèi)有很大關(guān)系(楊琳和冉景煜，2010).

　　為了更好說(shuō)明各混合污泥的交互作用，本論文利用混煤燃燒交互作用算法(馬國(guó)偉等，2013)計(jì)算了污水污泥S1混合其他3類(lèi)污泥的交互作用，求解結(jié)果見(jiàn)圖 3. 由圖 3可知，S1分別與S2和S4混合燃燒的交互作用相對(duì)較小，S1與S3混合燃燒交互作用較強(qiáng)，這表明實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值曲線(xiàn)離異程度越大，則表明交互作用越強(qiáng)，這與前述結(jié)果一致.

　　圖3 不同類(lèi)污泥混燃交互作用求解示意圖

　　3.1.3 不同氣氛對(duì)污泥燃燒的影響

　　分別在單一氣氛N2、CO2及不同O2含量N2/O2條件下，對(duì)市政污泥S1進(jìn)行熱重實(shí)驗(yàn)(見(jiàn)圖 4). 污泥S1熱解曲線(xiàn)(N2與CO2氣氛)在揮發(fā)分析出這一段基本是重合的，從DTG曲線(xiàn)可以看到在CO2條件下燃燒速率相對(duì)高一些，總的失重率基本沒(méi)有變化，表明其熱解過(guò)程雖然基本相似，但CO2氣氛更有利于污泥的熱解; 800 ℃后CO2還有一個(gè)比較明顯的失重峰，分析可能是有機(jī)物炭化后的未燃燒的固定碳在高溫條件下，被CO2氧化為一氧化碳變?yōu)闅怏w揮發(fā)出來(lái). O2含量分別為30%和50%氣氛條件下的TG-DTG曲線(xiàn)見(jiàn)圖 5. 隨著O2濃度的升高，TG曲線(xiàn)向低溫區(qū)移動(dòng); 同時(shí)，DTG峰值更大，燃燒速率更快. 可見(jiàn)，氧濃度越高，反應(yīng)進(jìn)行得越快，有機(jī)物分解得越快，有利于反應(yīng)的進(jìn)行.

　　圖4 污泥S1分別在N2和CO2氣氛下TG-DTG曲線(xiàn)

　　圖5 污泥S1在不同O2濃度下TG-DTG曲線(xiàn)

　　3.1.4 不同升溫速率對(duì)污泥燃燒的影響

　　市政污泥S1在空氣條件下、升溫速率ф分別為10、20、25、30 ℃ · min-1的TG-DTG曲線(xiàn)見(jiàn)圖 6. 隨升溫速率從10、20、25、30℃ · min-1升至25℃ · min-1時(shí)，TG曲線(xiàn)向高溫區(qū)移動(dòng)，升溫速率小的反應(yīng)比較充分，揮發(fā)分析出的溫度更高，但最大失重率隨著溫度升高而減小. 從DTG曲線(xiàn)可以看到隨著升溫速率ф的增大，DTG曲線(xiàn)向高溫區(qū)移動(dòng)，峰值增大，燃燒區(qū)間變寬，燃燒失重速率變大，燃燒更劇烈. 可見(jiàn)，升溫速率越高，反應(yīng)進(jìn)行得越快，揮發(fā)分析出越快. 但是污泥中有機(jī)質(zhì)分解和燃燒需要一定時(shí)間，當(dāng)升溫速率增加時(shí)，影響到試樣之間和試樣內(nèi)外層之間的傳熱溫差和溫度梯度，部分產(chǎn)物來(lái)不及揮發(fā)而產(chǎn)生滯后現(xiàn)象，從而導(dǎo)致污泥整體熱滯后現(xiàn)象的加重，致使曲線(xiàn)向高溫一側(cè)移動(dòng)，部分可燃質(zhì)需在更高的溫度下逸出. 由于隨著升溫速率增大，TG曲線(xiàn)移動(dòng)的距離越來(lái)越小，可見(jiàn)污泥焚燒存在一個(gè)最佳的升溫速率，這與揮發(fā)分析出特性指數(shù)單調(diào)遞增及增加速度減慢也是一致的.

　　圖6 不同升溫速率下污泥S1的TG-DTG曲線(xiàn)

　　3.2 不同來(lái)源污泥燃燒的綜合評(píng)價(jià)

　　3.2.1 揮發(fā)分釋放特性指數(shù)

　　在燃料燃燒過(guò)程中，揮發(fā)分的析出直接影響燃燒的著火溫度. 文中采用揮發(fā)分釋放特性指數(shù)D(陳建原和孫學(xué)信，1987)對(duì)試樣燃燒揮發(fā)分析出情況進(jìn)行描述:

　　由表 3可以看出，污泥的揮發(fā)分釋放特性指數(shù)在0.65×10-8~5.05×10-8 mg · K-3 · min-1之間，小于煤的揮發(fā)分釋放特性指數(shù)(聶其紅等，2001)，其中隨著升溫速率的提高，瀝滘污泥S1的著火點(diǎn)變高，要在更加高的溫度下才可以著火，相反的污泥的揮發(fā)分析出越來(lái)越好，揮發(fā)分特性指數(shù)單調(diào)遞增. 4種不同來(lái)源污泥的著火點(diǎn)S1最低，但揮發(fā)特性指數(shù)最小，S1容易著火燃燒，但揮發(fā)性能不佳; 污泥S2最大揮發(fā)速率最高，含揮發(fā)分最多; 印染污泥S3的揮發(fā)分釋放特性指數(shù)最高，燃燒性能最好. 考察混合污泥燃燒發(fā)現(xiàn)，S1與S2混合燃燒時(shí)，著火點(diǎn)和最大失重速率相似，并沒(méi)有隨著比例改變發(fā)生較大的改變，揮發(fā)分釋放特性指數(shù)波動(dòng)性變化，說(shuō)明這兩種污泥混燃時(shí)的交互作用受混合比例的影響較大. 污泥S1與工業(yè)污泥S3混合燃燒的揮發(fā)分釋放特性指數(shù)隨著S1混合比例的增大而增大，這是由于S1的著火點(diǎn)較低，揮發(fā)性差，混合燃燒的交互作用隨著S1含量增大而增大. S1與S4混合燃燒著火點(diǎn)隨著S1比例增大而降低，與S3相反揮發(fā)特性指數(shù)D隨著S1比例增大而減小，揮發(fā)特性指數(shù)向S1靠近，揮發(fā)性能下降; S1混合不同污泥，揮發(fā)特性影響差異較大，證明不同類(lèi)型的混合污泥揮發(fā)性能并不一樣以混合比例為5:5考慮，污泥S1混合污泥S2后其揮發(fā)特性最好.

　　表3 不同來(lái)源污泥混合燃燒的揮發(fā)分釋放特性指數(shù)

　　3.2.2 燃盡指數(shù)

　　本文將試樣失重占總失重的98%時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度定義為燃盡溫度Th.燃盡特性是表征可燃物燃燒性能的一個(gè)重要指標(biāo)，用燃盡指數(shù)Cb(聶其紅等，2001)來(lái)描述工業(yè)污泥的燃盡特性，可定義如下:

　　式中，f1為T(mén)G曲線(xiàn)上著火點(diǎn)對(duì)應(yīng)的試樣失重量與試樣中可燃質(zhì)含量的比值; 將試樣燃燒失重從開(kāi)始到燃燒98%可燃質(zhì)的時(shí)間定義為燃盡時(shí)間τ0，τ0時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的試樣失重量與試樣中可燃質(zhì)含量的比值定義為總?cè)急M率f，則后期燃盡率f2=f-f1. 其中，f1反映了揮發(fā)分相對(duì)含量、污泥著火特性的影響，f1越大，污泥可燃性越佳; f2反映了污泥中碳的燃盡性能，與含碳量、碳的存在形態(tài)等特性有關(guān)，f2越大，污泥的燃盡性能越佳. 由表 4可見(jiàn)污泥S1的燃盡指數(shù)隨著升溫速率提高而降低，不利于污泥減量化，同時(shí)初期燃盡率f1上升，有利于污泥燃燒. 不同來(lái)源污泥燃盡指數(shù)排序?yàn)镾1>S3>S2>S4，初期燃盡率f1排序?yàn)镾3>S1>S2>S4，說(shuō)明S3可燃性最好，S1的燃盡特性最好. S1與其他3種污泥混燃的初期燃盡率f1基本都是隨著S1添加比例提高而增大，可燃性變好，同樣燃盡指數(shù)變大，燃盡性能越好. 混合比例為5/5的混合污泥的燃盡指數(shù)大小依次為S1+S2>S1+S3>S1+S4，說(shuō)明市政污泥S1與污泥S2混燃的可燃性與燃盡參數(shù)最佳.

表4 不同來(lái)源污泥混合燃燒的燃盡指數(shù)

3.2.3 可燃性指數(shù)

　　為全面評(píng)價(jià)污泥的燃燒穩(wěn)定性情況，采用可燃性指數(shù)C(胡勤海等，2008;)來(lái)表征試樣的整體燃燒特性.

 

　　式中，Ti為著火溫度(著火點(diǎn)溫度)(K);(dw/dT)max 為最大燃燒速率; C越大表明試樣的燃燒著火穩(wěn)定性能越好. 如表 5所示，市政污泥S1隨著升溫速率提高，可燃性指數(shù)增大，燃燒越穩(wěn)定; 單一污泥燃燒穩(wěn)定性順序?yàn)? S4>S1>S2>S3，造紙S4燃燒最穩(wěn)定. S1與S2混合的樣品，燃燒穩(wěn)定性隨著S1含量增大而變差; S1與S3混合的樣品，燃燒穩(wěn)定性隨著S1含量增大而變好. 不同種類(lèi)污泥混燒的穩(wěn)定性并不一樣，污泥S1與污泥S2混合可燃性指數(shù)最高，燃燒最穩(wěn)定，而造紙污泥及印染污泥燃燒性能較差. 由于污泥焚燒爐必須要考慮進(jìn)料及其燃燒的穩(wěn)定性，而不同來(lái)源污泥混燃其穩(wěn)定性差異較大，因此考慮不同種類(lèi)污泥混燒對(duì)焚燒爐的設(shè)計(jì)有重要意義.

　　3.2.4 綜合燃燒特性指數(shù)

　　為全面評(píng)價(jià)試樣的燃燒情況，采用綜合燃燒特性指數(shù)S(胡勤海等，2008;沈伯雄等，2000)來(lái)表征試樣的整體燃燒特性:

 

　　式中，(dw/dτ)max為最大燃燒速率(mg · min-1);(dw/dτ)mean為平均燃燒速率(mg · min-1)，其值越大，表明燃盡越快; Th燃盡溫度試樣失重占總失重98%時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度(K). 綜合燃燒特性指數(shù)S全面反映了試樣的著火和燃盡性能(mg2 · K-3 · min-2)，S越大說(shuō)明試樣的綜合燃燒性能越佳.

　　由表 5可見(jiàn)，隨著升溫速率提高，平均燃燒速率和綜合燃燒指數(shù)S單調(diào)遞增，4種單一污泥綜合燃燒指數(shù)S排序?yàn)? S2>S4>S1>S3，說(shuō)明S2的綜合燃燒性能最好. 以混合比例9/1為例，混合污泥的S排序?yàn)镾1+S2>S1+S4>S1+S3，兩種市政污泥S1與S2混合燃燒效果最好. 當(dāng)S1污泥中添加造紙污泥S4后，混合樣的綜合燃燒特性指數(shù)高于S1單獨(dú)樣，而摻燒S3結(jié)果相反，可見(jiàn)焚燒過(guò)程中不同類(lèi)型的污泥混合后，其S差別較大. 向S1污泥中添加其他類(lèi)污泥時(shí)，以S4為例，隨著S1含量增加反而降低其燃燒性能，可能是因?yàn)閮烧吆�量慢慢接近時(shí)，交互作用增強(qiáng)，有利于燃燒的進(jìn)行. 因此，不同種類(lèi)污泥混燃的比例也是焚燒的重要考慮因素.

　　表5 不同來(lái)源污泥混合燃燒的可燃性指數(shù)與綜合燃燒特性指數(shù)

3.3 污泥混燃動(dòng)力學(xué)模型

　　每個(gè)試樣的燃燒實(shí)驗(yàn)可以認(rèn)為是一系列揮發(fā)分釋放、燃燒的綜合行為，它們的活化能符合以下動(dòng)力學(xué)方程(陳鏡泓和李傳儒，1985):

　　式中， α為熱解轉(zhuǎn)化率，%，E活化能(J · mol-1); A為頻率因子(min-1)，R為氣體常數(shù)，8.314 J · mol-1 · K-1，T為反應(yīng)溫度，f(x)為與燃燒機(jī)理相關(guān)的函數(shù). 經(jīng)過(guò)整理得到:

 

 

　　假設(shè)混合試樣等由3部分物質(zhì)(即揮發(fā)分1、揮發(fā)分2和固定碳)組成，從污泥及其混合物燃燒的宏觀(guān)動(dòng)力學(xué)角度，把失重過(guò)程的3個(gè)階段與3個(gè)相互獨(dú)立的、連續(xù)的、平行反應(yīng)相對(duì)應(yīng)，各部分物質(zhì)在升溫過(guò)程中單獨(dú)進(jìn)行反應(yīng)(溫俊明等，2004). 在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是單步反應(yīng)還是多步反應(yīng)，在每步反應(yīng)中，DTG峰值兩側(cè)的反應(yīng)機(jī)理一般不可能相同. 本研究中將試樣DTG曲線(xiàn)中燃燒速率較大的揮發(fā)分1、揮發(fā)分2及固定碳失重峰峰值前后采用不同的燃燒機(jī)理模型來(lái)描述. 在升溫速率為20 ℃ · min-1，空氣條件下以S1樣品第一揮發(fā)峰峰后為例擬合，分別在不同的反應(yīng)機(jī)理下將峰前峰后橫、縱坐標(biāo)數(shù)據(jù)代入，并進(jìn)行線(xiàn)性擬合(n分別取0.5、1、1.5、2)，以可決系數(shù)R2最大來(lái)確定反應(yīng)曲線(xiàn)方程和活化能E，其燃燒動(dòng)力學(xué)方程圖解和動(dòng)力學(xué)參數(shù)圖解見(jiàn)圖 7、圖 8

　　圖7 S1污泥第1析出峰燃燒動(dòng)力學(xué)方程圖解

　　圖8 S1污泥第1析出峰燃燒動(dòng)力學(xué)方程擬合曲線(xiàn)

　　在燃燒動(dòng)力學(xué)參數(shù)中，活化能E是一個(gè)非常重要的參數(shù)，它代表反應(yīng)物的分子由初始穩(wěn)定狀態(tài)變 為活化分子所需要吸收的能量，活化能比著火點(diǎn)更 能從本質(zhì)上描述試樣的著火性能. 按照上述方法可得，每個(gè)樣品的峰前、峰后反應(yīng)級(jí)數(shù)都不一樣，各自的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)差異較大. 各階段擬合方程的可決系數(shù)在0.8469～0.9999之間，線(xiàn)性比較好，說(shuō)明最終確定的各個(gè)試樣的反應(yīng)級(jí)數(shù)比較合理，動(dòng)力學(xué)參數(shù)的求解結(jié)果見(jiàn)表 6. 由表 6可知，試樣在燃燒峰前的活化能通常比燃燒峰后的活化能小，燃燒反應(yīng)峰前通常是反應(yīng)由易變難的過(guò)程，而峰后則是反應(yīng)由易變難的過(guò)程.同時(shí)低溫段的活化能也比高溫段的活化能小，這與污泥難揮發(fā)有機(jī)物在高溫燃燒結(jié)果是一致的.

　　表6 污泥燃燒時(shí)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)

本文同時(shí)采用(Cumming，1984)提出的質(zhì)量平均表觀(guān)活化能Em的概念和計(jì)算方法計(jì)算燃燒反應(yīng)總體的表觀(guān)活化能，Em的定義如下:

 

　　式中，E1～En為各反應(yīng)區(qū)段的表觀(guān)活化能; F1～Fn為各反應(yīng)區(qū)段的燃燒質(zhì)量損失份額.對(duì)比不同升溫速率污泥S1表觀(guān)活化能，隨著升溫速率提高，表觀(guān)活化能也減小，這與污泥TG-DTG曲線(xiàn)向高溫區(qū)移動(dòng)是一致的. 從單一污泥的燃燒所得的活化能可以看出，印染污泥S3燃燒過(guò)程的質(zhì)量平均表觀(guān)活化能Em最小，污泥S1的質(zhì)量平均表觀(guān)活化能Em最大. 對(duì)于混合試樣的燃燒來(lái)說(shuō)，S1與其他3種污泥混燃的活化能均有所下降，活化能減少，燃燒更加容易進(jìn)行. S1與S2混燒時(shí)，隨著S1含量的增加，其混合樣活化能逐漸減少，這與S1和S2之間產(chǎn)生的交互作用有關(guān). 相反的是S1與S4混燃后，混合樣平均活化能有所增加，燃燒進(jìn)行緩慢，可能是S1所需活化能高、相互之間的交互作用很弱的緣故.具體參見(jiàn)污水寶商城資料或http://www.yiban123.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　4 結(jié)論

　　1)不同來(lái)源污泥整個(gè)燃燒過(guò)程可分為4個(gè)階段，不同來(lái)源污泥焚燒特性差異較大，其燃燒特性受污水來(lái)源、處理工藝和污泥種類(lèi)有關(guān)，其中揮發(fā)分的析出和燃燒階段制約著污泥的整個(gè)燃燒過(guò)程.

　　2)不同來(lái)源及摻燒比例影響污泥的摻燒特性，其中市政污泥S1混合S2污泥后，其綜合燃燒性能顯著提高，而污泥S1與印染污泥及造紙污泥混合后，其綜合燃燒指數(shù)有下降趨勢(shì).

　　3)隨著升溫速率增加，污泥的揮發(fā)特性指數(shù)D及綜合燃燒指數(shù)S都有所增加，而燃盡指數(shù)C下降; 提高升溫速率和O2濃度都可以改善混合污泥的綜合燃燒性能.

　　4)污泥S1混合污泥S2后，其混合樣的活化能E降低最多，而S1與印染污泥及造紙污泥分別混合后，活化能下降不明顯，說(shuō)明同類(lèi)別污泥混燃其反應(yīng)更加容易進(jìn)行，這與混合污泥的綜合燃燒特性指數(shù)變化規(guī)律一致.