城市污水污泥掺烧的研究

对比图 1中a、b可以看出, 咖啡渣的挥发分及固定碳燃烧两个阶段的失重速率峰值都比污泥大,  并且两个失重峰对应的温度区间、最终剩余质量百分数都明显比污泥小, 这说明与污泥相比, 咖啡渣燃烧过程中其挥发分的释放及燃烧更加集中,  且咖啡渣燃烧更彻底更充分.主要原因可能是咖啡渣的主要可燃成分为油脂、纤维素、木质素等成分, 且有机质含量高, 灰分含量远低于污泥.另外, 根据图  1中TG和DTG曲线确定污泥和咖啡渣的着火温度和燃尽温度(试样失重占总失重的98%时对应的温度), 求得污泥的着火温度和燃尽温度分别为236.0 ℃和630.1  ℃, 咖啡渣的着火温度和燃尽温度分别为283.1 ℃和481.2 ℃.污泥的燃尽温度比咖啡渣高148.9 ℃, 说明污泥相比咖啡渣含有较难燃尽的物质.由表  1工业分析可知, 咖啡渣的灰分含量比污泥低, 挥发分含量比污泥高, 但污泥的着火温度却比咖啡渣的低47.1 ℃, 主要原因是污泥主要成分为低级的有机物,  其结构简单且经过生物氧化后在高温下易分解.

3.1.2 不同升温速率条件下污泥及咖啡渣单一样品的热重曲线分析

图 2为单一污泥和咖啡渣试样在空气气氛下, 升温速率分别为10、15和20 ℃˙min-1的燃烧曲线.由图 1a可知, 随着升温速率的升高,  污泥的DTG曲线向高温区偏移, 峰值增大, 燃烧区间变宽, 燃烧失重速率变大, 达到相同失重所需时间减少.结合表 2可知, 升温速率由10  ℃˙min-1增加到20 ℃˙min-1, 污泥的燃尽时间由59.0 min缩短至31.3 min, 并且达到最大失重速率所需时间和着火时间分别减少12.3  min和9.3 min.这主要是因为升温速率的提高, 一方面使试样燃烧反应时间减少, 反应变得更加剧烈; 另一方面试样内外层温度差别增大, 传热传质受到限制,  导致DTG曲线向高温区偏移.

图 2不同升温速率下污泥和咖啡渣的TG和DTG曲线(a.污泥; b.咖啡渣)

表 2 不同升温速率下污泥和咖啡渣的燃烧特征特性参数

由图 2b可以看出, 不同升温速率下咖啡渣的DTG曲线比较接近.比较TG曲线最终走向, 不同升温速率对最终残留率的影响很小, 当升温速率为10  ℃˙min-1时, 试样的最终剩余质量百分数与15、20 ℃˙min-1时相比, 仅相差约0.6%, 而对燃尽时间影响较大.结合表 2可知,  咖啡渣的峰值温度随着升温速率的升高而升高, 整个分解过程随着升温速率的升高而延迟, 主要是热传递限制和动力学作用的结果.升温速率为20  ℃˙min-1时咖啡渣的燃尽时间比10 ℃˙min-1时缩短19 min.这主要是因为升温速率越高, 反应进行得越快, 试样达到燃烧温度所需的时间变短.另外,  当升温速率增加, 颗粒与颗粒之间、颗粒内外层之间传热温差与温度梯度均受到影响, 颗粒内外温差变大, 释放出的挥发分扩散受阻, 影响燃烧的进行,  部分可燃质需在更高的温度下逸出, 并且反应温度、挥发分的析出和氧气的扩散浓度等因素的作用又导致了燃烧过程的不同.

3.1.3 污泥与咖啡渣混合样品的热重曲线分析

在空气气氛、升温速率为20 ℃˙min-1的条件下, 污泥中加入不同比例(10%、20%、30%、40%)的咖啡渣后混合样品的热重曲线见图 3.由图  3可知, 随着咖啡渣掺烧比的增加, 混合物的燃烧特征曲线呈现出由污泥向咖啡渣变化的趋势.混合试样的TG曲线在185~390 ℃温度区间存在一个明显的失重区域,  DTG曲线的最大失重速率随着咖啡渣混合比例的增加而增大, 且污泥与咖啡渣混烧的最大失重速率比单一污泥时高, 比单一咖啡渣时低,  这说明污泥中掺烧咖啡渣提高了污泥的最大失重速率, 使混合试样的挥发分析出和燃烧阶段更剧烈, 其原因应该是当污泥中掺烧咖啡渣时,  混合试样的挥发分含量高于单一污泥试样的挥发分含量.随着咖啡渣混合比例的增加, 混烧试样的第2个失重速率峰也随之增大, 且其第2失重峰对应的温度有所提前,  这应该是因为污泥中掺烧咖啡渣能使污泥中挥发分的燃烧反应速率增快, 从而促使污泥中的难燃有机物提前与空气中的氧气混合燃烧.

图 3污泥与咖啡渣混燃的TG和DTG曲线(a.污泥; b.咖啡渣)

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